Stresová koncentrace

Koncentrace napětí je jev výskytu zvýšených lokálních napětí v oblastech prudkých změn tvaru pružného tělesa a také v místech styku dílů. Oblast prostoru, ve které se tato napětí vyskytují, se nazývá koncentrátor napětí .

Studium koncentrace stresu

Koncentrace napětí je charakterizována teoretickým faktorem koncentrace napětí - poměrem maximálního napětí v oblasti náboje k jmenovitému napětí (vypočteno za předpokladu, že náboj neexistuje): $\sigma$ $\sigma _{n}$

${\displaystyle k={\frac {\sigma }{\sigma _{n))))$

Klasickým příkladem koncentrace napětí je Kirschův problém rovnoměrného napětí širokého pásu s malým otvorem uprostřed. Analytický výpočet ukazuje, že faktor koncentrace napětí je v tomto případě 3.

Koeficient lze určit analytickými, numerickými metodami (např. metoda konečných prvků ), experimentálně (pomocí metod fotoelasticity , křehkých povlaků). V moderních komplexech konečných prvků ( ANSYS , Nastran , Abaqus , SolidWorks Simulation ) lze studium koncentrátorů napětí provádět pomocí zahušťování sítě konečných prvků nebo speciálních metod ( submodelování , vytváření superprvků z konstrukčních dílů, které nepodléhají koncentraci napětí ).

Teoretický koeficient popisuje pouze vliv geometrie součásti a způsobu zatížení na teoretické napětí, ale nezohledňuje citlivost samotného materiálu na koncentraci. Tato hodnota nemusí adekvátně popisovat snížení pevnosti v přítomnosti koncentrátoru. V praxi se při výpočtu únavy zavádí pojem efektivního součinitele koncentrace napětí - poměr mezí únosnosti dílu bez koncentrátoru a s koncentrátorem : $\sigma _{-1}$ ${\displaystyle \sigma _{-1k))$

${\displaystyle K_{\sigma D}={\frac {\sigma _{-1)){\sigma _{-1k))))$

S ohledem na různé faktory ovlivňující únavovou pevnost se koeficient vypočítá takto:

$K_{\sigma D}={\frac {{\frac {K_{\sigma }}{K_{d\sigma }}}+{\frac {1}{K_{F\sigma }}}- 1}{K_{V}}}$

kde

${\displaystyle K_{\sigma ))$ je efektivní faktor koncentrace napětí, který zohledňuje vliv makroskopických koncentrátorů;
${\displaystyle K_{d\sigma ))$ - faktor měřítka (zohledňuje vliv velikosti součásti);
${\displaystyle K_{F\sigma ))$ — koeficient vlivu kvality povrchu;
$K_{V}$ je součinitel vlivu povrchového zpevnění.

Vliv na pevnost konstrukce

Koncentrace napětí může ovlivnit pevnost různými způsoby v závislosti na povaze zatížení:

Statické zatížení - vliv lokálních napětí na pevnost je malý. Výskyt napětí, která výrazně převyšují mez kluzu nebo dokonce mez pevnosti v tahu , může vést k lokální tekutosti materiálu, ale nejsou vytvořeny podmínky pro jeho šíření a růst trhlin . Tato ustanovení jsou shrnuta v jednom z klíčových principů mechaniky deformovatelného pevného tělesa – principu Saint-Venant .
Cyklické zatěžování – koncentrace napětí je jedním z hlavních faktorů vedoucích ke snížení pevnosti. Nejpříznivější podmínky pro růst trhlin jsou vytvořeny v zónách koncentrace napětí.

K boji proti negativnímu dopadu koncentrace stresu se používají následující metody:

Změna designu (vykládání přířezů, zaoblení).
Povrchové kalení materiálu v koncentrační zóně. Používá se tepelné zpracování ( kalení vysokofrekvenčními proudy , nitridace ), tlakové zpracování ( rýhování válečkem , brokování ).
Precizní povrchová úprava pro snížení koncentrace napětí v mikrodrsnostech ( broušení , soustružení ).

Koncentrace stresu byla příčinou masivních havárií prvního komerčního proudového dopravního letadla na světě, Comet . Okna tohoto letadla měla čtvercový tvar, což napomáhalo koncentraci napětí v rozích, a nýty , které je drží, byly instalovány příliš často, což přispívalo k rychlému šíření trhlin.

Příklady koncentrátorů napětí ve strojírenství

Drážky (například závitové )
ostré rohy
Rušivé spoje
Klínové drážky
Přechody mezi sekcemi s různými průměry na hřídelích
díry
Svary
Povrchové vady

Viz také

Poznámky

Literatura

Feodosiev V.I. Odolnost materiálů. - M . : Vydavatelství MSTU im. N. E. Bauman , 1999. - 592 s. — (Mechanika Vysokého učení technického).

Odkazy

Savin G.N., Savchenko V.I. Fyzická encyklopedie : [v 5 svazcích] / Ch. vyd. A. M. Prochorov . - M. : Soviet Encyclopedia , 1990. - T. 2: Faktor kvality - Magnetooptika. - 704 s. — 100 000 výtisků. — ISBN 5-85270-061-4 .
Koncentrace stresu - článek z Velké sovětské encyklopedie .
Mike Busch. When Metal Lets Us Down // Magazín CESSNA PILOTS ASSOCIATION. — 1999.
EBI – Medical Glossary (odkaz dolů) (odkaz dolů od 27.05.2014 [3075 dní])
Igor Kokcharov. Analýza strukturální integrity .