应力集中的概念及其避免措施

应力集中的概念及其避免措施

现今社会，由于应力集中造成构件断裂，产生疲劳，对结构安全危害大。了解应力集中，并找出其避免措施，对人们的生活具有重大的意义。

首先，先让我们了解一下应力与应力集中的概念，应力即受力物体截面上内力的集度，即单位面积上的内力。公式记为σ=F/S(其中，σ表示应力；ΔFj表示在j 方向的施力；ΔAi表示在i 方向的受力面积)。材料在交变应力作用下产生的破坏称为疲劳破坏。通常材料承受的交变应力远小于其静载下的强度极限时，破坏可能发生。另外材料会由于截面尺寸改变而引起应力的局部增大，这种现象称为应力集中。对于由脆性材料制成的构件，应力集中现象将一直保持到最大局部应力到达强度极限之前。因此，在设计脆性材料构件时，应考虑应力集中的影响。对于由塑性材料制成的构件，应力集中对其在静载荷作用下的强度则几乎无影响。所以，在研究塑性材料构件的静强度问题时，通常不考虑应力集中的影响。

承受轴向拉伸、压缩的构件，只有在寓加力区域稍远且横截面尺寸又无剧烈变化的区域内，横截面上的应力才是均匀分布的。然而实际工程构件中，有些零件常存在切口、切槽、油孔、螺纹等，致使这些部位上的截面尺寸发生突然变化。如开有圆孔和带有切口的板条，当其受轴向拉伸时，在圆孔和切口附近的局部区域内，应力的数值剧烈增加，而在离开这一区域稍远的地方，应力迅速降低而趋于均匀。这时，横截面上的应力不再均匀分布，这已为理论和实验证实。

在静荷载作用下，各种材料对应力集中的敏感程度是不同的。像低碳钢那样的塑性材料具有屈服阶段，当孔边附近的最大应力达到屈服极限时，该处材料首先屈服，应力暂时不再增大。如外力继续增加，增加的应力就由截面上尚未屈服的材料所承担，是截面上其他点的应力相继增大到屈服极限，该截面上的应力逐渐趋于平均，如图2-32所示。因此，用塑性材料制作的零件，在静载荷作用下可以不考虑应力集中的影响。而对于组织均匀的脆性材料，因材料不存在屈服，当孔边最大应力的值达到材料的强度极限时，该处首先断裂。因此用脆性材料制作的零件，应力集中将大大降低构件的强度，其危害是严重的。这样，即使在静载荷作用下一般也应该考虑应力集中对材料承载能力的影响。然而，对于组织不均匀的脆性材料，如铸铁，其内部组织的不均匀性和缺陷，往往是产生应力集中的主要因素，而截面形状改变引起的应力集中就可能成为次要的了，它对于构件的承载能力不一定会造成明显的问题。

下面，就应力集中造成构件断裂，产生疲劳，举几个实例。

1、日本航空123号班机空难事件，发生于1985年8月12日，班机是波音747-100SR型，飞机编号JA8119。搭载509名乘客及15名机组员，从日本东京的羽田机场，预定飞往大阪伊丹机场。在御巢鹰山区附近的高天原山（距离东京约100公里）坠毁，520人罹难。此次空难事件也是世界上牵涉到单一架次飞机的空难中，死伤最惨重的。事故原因：日本官方的航空与铁道事故调查委员会，经过调查后，做出三点结论。1.1978年6月2日，该飞机在大阪的伊丹机场曾损伤到机尾；2.机尾受损后，波音公司没有妥善修补，正常需要二排铆钉，但维修人员只是将损伤的部分补了一排铆钉，所以增加了接合点附近金属蒙皮所承受的剪力，使该处累积了金属疲劳的现象;3.该处的压力壁在

损坏后，造成四组液压系统故障（液压油泄漏），导致机师无法正常操控飞机。

2、2004年日本美浜核电站事故。虽然并未导致核泄漏，但蒸汽爆发还是导致5名工人死亡，数十人受伤。美浜核电站座落于东京西部大约320公里的福井县，1976年投入运营，1991年至2003年曾发生过几次与核有关的小事故。2004年8月9日，涡轮所在建筑内连接3号反应堆的水管在工人们准备进行例行安全检查时突然爆裂。虽然并未导致核泄漏，但蒸汽爆发还是导致5名工人死亡，数十人受伤。2006年，美浜核电站又发生火灾，导致两名工人死亡。事故原因主要是蒸汽发生器内细管的金属疲劳。

3、1998年德国ICE城际列车脱轨事件。1998年6月3日，由慕尼黑开往汉保的德国ICE884次高速列车在运行至距汉诺威东北方向附近的小镇埃舍德时，发生了第二次世界大战后德国最为惨重的列车脱轨行车事故。该列车由两辆机车和12辆拖车组成，事故发生后12辆拖车全部脱轨。截止到6月17日，已有100人死亡，88人重伤。

6月17日，联邦铁路局局长在德国听证会上公布了对事故发生过程的初步调查结果：在列车运行距公路跨线桥约6公里时，第一节拖车的3轮对的轮箍发生破裂，列车继续以200公里/小时的速度运行，轮箍断裂并拥塞在高速动轮的轮对中，剧烈的摩擦发出刺耳的轰隆声，在距公路桥约300公里处，已断裂的轮箍勾住了埃舍德车站的一组道岔，使拖车挑起、脱轨并与机车脱钩，脱轨的车轮则落在相邻的线路上，列车继续运行120米后，脱轨的车轮被邻线的另一组道岔改变了方向，突然猛烈地甩向右侧，第3节拖车尾部与桥墩猛烈冲撞，使跨线桥部分坍塌坠落。驰过跨线桥的头部机车经紧急制动后运行约2公里停

车，没有脱轨；与头车分离的第1-3节拖车脱轨后停在桥后约300米处；第4-5节拖车被坍塌的桥梁砸毁，后部第6-12节拖车以最大的惯性冲撞挤压在一起，尾部机车几乎未受损坏。

该列车车轮系橡胶弹性车轮，轮箍是轧制的无缝钢圈，通过热效应压在轮心上，轮心是铸钢轮体，轮箍与轮心间有一层橡胶体。轮箍轧制时若残留气泡或矿碴，在高压负荷动力作用下，就可能开裂；也可能是由于轮箍材料老化产生“疲劳断裂”所致。事故发生后，其余59列ICE型列车中止运营，并进行了全面检查。44列ICE2列车的运营虽未受事故影响，但最高时速已降低到160公里。

以上例子都足以说明了应力集中引起构件疲劳、断裂，造成的危害是非常严重的，甚至影响着人们的生活安全。是个不容忽视的问题。

最后，让我们讨论一下现实中避免应力集中的一些方法。

1、包装结构设计中，应力集中避免与利用

为避免应力集中造成构件破坏，可采取消除尖角、改善构件外形、局部加强孔边以及提高材料表面光洁度等措施；另外还可对材料表面作喷丸、辊压、氧化等处理，以提高材料表面的疲劳强度。用ANSYS模拟钢筋混凝土梁两点对称加载，集中荷载如何布置才能避免应力集中造成混凝土过早破坏！在加载点加一个垫块。通过等效线荷载施加好像值得试试，不过线荷载分布长度不宜太大！曲线预应力筋作用按照等效荷载作用替代，端头轴力按照实际锚具承压端板大小划分一个面，在此面作用轴压力，可以解决集中力过大问题。北京奥运会体育场游泳馆的幕墙 ETFE膜结构幕墙设计要点（4）关键节点的设计，以避免应力集中；摘要：探讨加权组合预测方法在应力集中问题中的应用,以带