Concentrarea stresului

Concentrarea tensiunilor este un fenomen al apariției unor tensiuni locale crescute în zonele cu modificări bruște ale formei unui corp elastic, precum și în zonele de contact ale pieselor. Regiunea spațiului în care apar aceste tensiuni se numește concentrator de tensiuni .

Studiul concentrarii stresului

Concentrația tensiunii este caracterizată printr-un factor teoretic de concentrare a tensiunii - raportul dintre tensiunea maximă din zona hubului și tensiunea nominală (calculată presupunând că nu există hub): $\sigma$ $\sigma _{n}$

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

Un exemplu clasic de concentrare a tensiunii este problema Kirsch a tensiunii uniforme a unei benzi late cu o gaură mică în mijloc. Un calcul analitic arată că factorul de concentrare a tensiunii în acest caz este 3.

Coeficientul poate fi determinat prin metode analitice, numerice (de exemplu, metoda elementelor finite ), experimental (folosind metode de fotoelasticitate , acoperiri fragile). În complexele moderne de elemente finite ( ANSYS , Nastran , Abaqus , SolidWorks Simulation ) studiul concentratoarelor de tensiuni poate fi realizat folosind îngroșarea ochiurilor cu elemente finite sau metode speciale ( submodelare , crearea de superelemente din părți structurale care nu sunt supuse concentrării tensiunilor ). ).

Coeficientul teoretic descrie doar influența geometriei piesei și a metodei de încărcare asupra tensiunii teoretice, dar nu ia în considerare sensibilitatea materialului în sine la concentrare. Este posibil ca această valoare să nu descrie în mod adecvat reducerea rezistenței în prezența unui concentrator. În practică, atunci când se calculează oboseala, este introdus conceptul de factor de concentrare efectivă a tensiunii - raportul dintre limitele de rezistență ale unei piese fără un concentrator și cu un concentrator : $\sigma _{-1}$ $\sigma _{-1k)$

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

Luând în considerare diverși factori care afectează rezistența la oboseală, coeficientul se calculează după cum urmează:

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

Unde

$K_{\sigma }$ este factorul efectiv de concentrare a stresului, care ține cont de influența concentratoarelor macroscopice;
$K_{d\sigma }$ - factor de scară (ține cont de influența dimensiunii piesei);
$K_{F\sigma }$ — coeficientul de influență al calității suprafeței;
$K_{V}$ este coeficientul de influență al călirii suprafeței.

Impactul asupra rezistenței structurale

Concentrarea tensiunii poate afecta rezistența în diferite moduri, în funcție de natura încărcării:

Încărcare statică - influența tensiunilor locale asupra rezistenței este mică. Apariția unor tensiuni care depășesc semnificativ limita de curgere sau chiar rezistența la tracțiune poate duce la fluiditatea locală a materialului, dar nu sunt create condițiile pentru propagarea acestuia și creșterea fisurilor . Aceste prevederi sunt rezumate într-unul dintre principiile cheie ale mecanicii unui corp solid deformabil - principiul Saint-Venant .
Încărcarea ciclică - concentrarea tensiunilor este unul dintre principalii factori care conduc la scăderea rezistenței. Cele mai favorabile condiții pentru creșterea fisurilor sunt create în zonele de concentrare a tensiunilor.

Pentru a combate impactul negativ al concentrării stresului, se folosesc următoarele metode:

Schimbarea designului (descărcare tăieturi, fileuri).
Întărirea la suprafață a materialului în zona de concentrare. Se utilizează tratament termic ( întărire cu curenți de înaltă frecvență , nitrurare ), tratament prin presiune ( moletare cu rolă , șlefuire ).
Tratament precis al suprafeței pentru a reduce concentrația de tensiuni în microrugozități ( slefuire , strunjire ).

Concentrarea stresului a fost cauza prăbușirilor masive ale primului avion comercial cu reacție din lume, Comet . Ferestrele acestei aeronave aveau o formă pătrată, favorabilă concentrării tensiunilor în colțuri, iar niturile care le țineau erau instalate prea des, ceea ce a contribuit la propagarea rapidă a fisurilor.

Exemple de concentratoare de stres în inginerie

Caneluri (de exemplu, filetate )
colțuri ascuțite
Conexiuni de interferență
Căi de cheie
Tranziții între secțiuni cu diametre diferite pe arbori
găuri
Suduri
Defecte de suprafață

Vezi și

Note

Literatură

Feodosiev V.I. Rezistența materialelor. - M . : Editura MSTU im. N. E. Bauman , 1999. - 592 p. — (Mecanica la Universitatea Tehnică).

Link -uri

Savin G.N., Savchenko V.I. Enciclopedia fizică : [în 5 volume] / Cap. ed. A. M. Prohorov . - M . : Enciclopedia Sovietică , 1990. - T. 2: Factorul de calitate - Magneto-optică. - 704 p. — 100.000 de exemplare. — ISBN 5-85270-061-4 .
Concentrarea stresului - articol din Marea Enciclopedie Sovietică .
Mike Busch. Când metalul ne lasă jos // Revista CESSNA PILOTS ASSOCIATION. — 1999.
EBI - Glosar medical (link în jos) (link în jos din 27.05.2014 [3075 zile])
Igor Kokcharov. Analiza integrității structurale .