应力集中的应用与避免

. 应力集中的应用与避免

姓名张帅

学号 ************

年级 2012

专业机械设计制造及其自动化

系（院）机械工程学院

指导教师徐淑琼

应力集中的应用与避免

摘要

应力集中是受力零件或构件在形状、尺寸急剧变化的局部出现应力显著增大的现象。应力集中会引起脆性材料断裂；使物体产生疲劳裂纹，应力的最大值（峰值应力）与物体的几何形状和加载方式等因素有关。通过电测法、光弹性法、有限元法以及边界元法等实验手段测出物体的应力集中。在日常生产生活中，可以通过相应实验及计算实现应力集中的利用与避免。

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引言

应力集中现象可以说是在日常生活中无处不见，有些工程需要消除集中应力，有些则需要增大集中应力。应力集中是如何产生的？了解应力的产生是工程制造加工及生产生活中的重要部分。通过相关设计，可以为生活提供许多方便，减少一些不必要的麻烦，还可以减少和避免很多不必要的伤害。材料的不均匀及裂纹的存在，都可能导致应力集中。

小到零件制造（如齿轮加工）大到工程建设（如奥运会鸟巢建设）都要进行应力试验及计算。如传动轴轴肩圆角、键槽、油孔和紧配合等部位，受力后均产生应力集中。这些部位的峰值应力从集中点到邻近区的分布有明显的下降，呈现很高的应力梯度。零件的早期失效常发生在应力集中的部位,因此了解和掌握应力集中问题，对于机械零件的合理设计和减少机械的早期失效有重要意义。

一、应力集中的概念及产生原因

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（如右图）。

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。

二、应力集中的应用

1、现在许多食品都用塑料，商家将包装食品的塑料袋封口后，带的边缘处常做成锯齿形，或做出一个小缺口，在这些缺口和缝隙处撕塑料袋时，在缺口和缝隙的根部会由于应力集中产生很大的应力，因此稍一用力就可以把塑料袋沿缺口或缝隙撕开，如果塑料袋没有这样的缺口或切缝，要打开塑料袋，则多半要借用剪刀了。

2、应力集中在生活中的其他应用

划玻璃时先将玻璃置于一平整的、牢固的、有毛毡的台面上，沿将要下刀线路擦煤油,然后沿尺子将玻璃刀立直吃上劲儿一刀到头,再在刀划过处擦煤油，用刀沿刀痕均匀的从头至尾敲击玻璃。将玻璃划痕紧贴于台面边缘，用力一掰即可齐齐扳断；撕布时先剪一小口,顺着这个小口轴线方向进行用力撕扯，就容易撕开；易拉罐开启部分的设计等等。

三、应力集中的避免

1、为什么发动机的汽缸体出现裂缝后，可用环氧树脂等粘接剂粘合？而且在粘合前，先在裂缝的两端钻一个小孔？

一般地说，杆件外形的骤变越是剧烈（及相邻截面的强度差越大），应

力集中的程度越是严重。同时，应力集中是一种局部的应力骤增现象，如图1中具有小圆孔的均匀受拉平板，在孔边外最大应力约为平均应力的3倍，而据空稍远处，应力及趋于均匀。而且，应力集中处不仅最大应力急剧增长，其应力状态也与无应力集中是不同。假设在有一块长纸条，打出一小圆孔和切出一横向裂痕很明显在相同的受力情况下，裂痕先断裂，现在以裂痕两端为直径两端划与一号圆

等大的圆表示两个相同的区域，与一号圆相比二号圆的受力主要区别于裂痕两侧的受力，由于缺失一部分分子对裂痕的加大受力，使裂痕变得更加不稳定，相比之下圆则比较稳定。因此工程师发现裂纹后，会现在裂纹的尖端打一个小孔，这样就大大的降低了裂纹两端的应力集中系数，阻止了裂纹的扩展，延长了发动机的使用寿命。

2、自行车内胎被刺破后，可用橡胶补块粘补。补块一般剪成圆形或椭圆形，而非正方形，且补块的边缘剪成斜茬形（见图），下面（与内胎粘合面）宽，逐渐向上变窄。

补块的边缘剪成斜茬形是整个内胎平

滑降低应力集中应数，避免在运动中

由于应力集中避免补快脱落的情况。

3、实际工程中圆滑的角避免应力集中

在制作各种拉力工具时，拉脚的拐弯处应设圆角，这并不是为了美观，

这是为了避免应力集中。应力集中指由于受力构件由于几何形状、外形尺寸发生突变而引起的局部范围内内应力显著增大的现象。应力集中会造成构件的断裂。圆角的大小应根据工具的外形尺寸决定，太大影响工具的效应，太小工具容易断裂损坏。对于

常用的较小拉制工具，圆角半径在

2-3毫米为佳，较大在5毫米左右。

对于特殊形状的工具根据实际情况

确定。但或大或小必须留圆角。

四、总结：

应力集中现象在生活中有利也有弊，为实现应力集中的利用与避免，可通过相应实验及计算选择合适的材料。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，避免形状突变，尽可能开圆孔或椭圆孔；根据孔边应力集中的分析成果进行孔边局部加强；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。为增大集中应力，可采对材料外形及加工方式加工部位进行合理地机械设计，通过相应实验及计算选择合适的材料，从而实现应力集中的利用与避免。

参考文献：

1、《设计中的应力集中系数》作者：R.E.彼德逊

2、《材料力学》作者：刘鸿文出版社：北京高等教育出版社

3、《应力集中的“善”与“恶”--------漫谈应力集中的利用和防治》作者：张义同(天津大学系，谢宇新天津300072) [D]