应力集中：如何在设计中识别和减少它们

当今世界，产品越来越复杂，整体定价面临下行压力。这导致机械部件的几何复杂性不可避免地增加。虽然这使得部件能够执行多种功能，但也导致了复杂的载荷传递和可能的应力集中。

应力集中定义为与身体平均应力相比的高局部应力，通常出现在具有突然几何变化的区域。本文将介绍应力集中的基础知识，提供实际示例来说明该概念，并概述在设计中减少应力集中的方法。

应力集中概述

当涉及到确定应力集中的位置以及它们是否导致了故障时，应力集中相对简单。它们将位于张力路径中的小半径和尖角处。该组件两端的较小直径轴上都有滚轮，并将张力施加到顶部平面上。

这种设置将几乎就像滑板卡车一样，但我们将受到更高的循环力。

 直径较小的轴与滚轮支架的中心部分相交，半径相对较陡。如果我们放大这个半径，我们可以看到它只有0.010英寸。

如上文所述，锐角或半径将是应力集中的位置。为了可视化这个应力集中，我将运行一个FEA研究，它将很好地绘制出这些应力。

我们有一个500磅的向下的力，并且已经固定了滚轮所在的轴表面。剩下的唯y一一步就是运行模拟并处理我们漂亮的图片！ 

我们可以看到，这是最高应力特征，这将是循环张力下的第一个失效位置（尽管它最有可能发生在承受张力的底部，而不是顶部受压侧）。它将以小表面裂纹的形式开始，最终通过部件扩展至完全失效。

当我们施加弯矩时，有一些基本公式来定义此类几何体中的最大应力。本例中的公式如下：

σmax=kt*σave

其中：K、t = 应力集中系数；σ,ave = 构件中的平均应力

在许多简单的几何形状中，应力集中系数是针对一系列几何形状定义的。 

  假设我们有一根直径为2英寸的杆，它被降到了1英寸；这使我们的D/d为2。 

再举一个例子，假设半径为 0.1 英寸，那么r/d比为0.1。我们需要找到表示D/d为2的曲线。然后我们查看x轴，确定r/d为0.1，看Y轴，得到应力集中系数约为 1.8。

需要注意的是，此公式会根据张力情况和几何图形而变化，因此我鼓励您进一步探索其他几何图形的图表。现在我们了解了基础知识，我们可以进入一些纠正应力集中的示例。

真实例子

在本节中，我们将看一些实际示例，以及如何降低应力集中位置处的峰值应力。我们要看的第一个例子是带滚轮的原始组件。如果你还记得的话，我们在直径增加时有一个非常小的 0.01 英寸半径。现在，我们将把直径增加到0.08英寸，看看我们能减少多少应力。

 应力从14419 psi一直下降到3873 psi。虽然由于原始半径非常小，这种差异非常极端，但它使我们知道应力集中对零件中应力的影响程度。

一般准则和要避免的问题：

当谈到减轻压力的常用方法时，以下列表包括一些可以让您快速入门的简单项目：

1.使张力路径中的半径尽可能大。

2.在可能的情况下，限制大特征与小特征的比例。

3.在狭缝、尖角或裂缝的末端添加减压孔，以缓解高应力集中。

要避免的一些常见问题是：

1.不要在张力路径上使用尖角。

2.不要在张力的特征之间进行大尺寸转换。刚度不匹配将导致应力集中更高。

3.不要假设相同大小的半径适用于所有功能。请记住，应力集中是基于一个比率，而不是一个大小。

4.如果您绝对必须使用尖角，请不要将应力集中放置在高循环张力中。

正如你可能已经猜到的那样，大多数“不该做”与“应该做”是相反的。这个列表并不全面，但它应该涵盖每个设计师都应该知道的基本概念，以提高他们的设计技能。

通过上面的例子和分析，我们应该清楚地知道为什么我们需要关注应力集中。通过在设计中融入这些概念，您应该能够实现更高的额定张力、可靠性和疲劳寿命。