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1、关于应力集中的概念及其避免措施的讨论关于应力集中的概念及其避免措施的讨论现今社会，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 =F/S (其中， 表示应力；Fj表示在 j 方向的施力；Ai 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
2、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
3、，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
4、，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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、 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,以带小孔 的拉板为例,对采样点的数据分别建立 GM(1,1)模型、趋势曲线预测模型和最优 加权组合预测模型,并对各模型的误差和进行比较.结果表明,组
11、合预测模型的拟 合和预测精度比单个模型要高.因此,用最优加权组合预测模型来推求应力集中 区的最大应力,是工程测试数据处理的一种比较实用的新方法.边界元法在舱口 角隅应力集中问题中的应用灰色系统模型及其在应力集中问题中应用在工程结 构的凹角、缺口、沟槽、孔洞附近均会发生应力集中，其中孔洞附近的应力局 部增高称为孔边应力集中。在水利工程中，大坝的坝踵附近以及坝内廊道附近 的应力局部增高是应力集中的典型实例。 由于应力集中能使结构发生裂纹，甚至断裂，须采取措施，防止因应力集 中而造成的结构损坏，主要措施有：改善结构外形，避免形状突变，尽可能 开圆孔或椭圆孔；结构内必须开孔时，尽量避开高应力区，而在低
12、应力区开 孔；根据孔边应力集中的分析成果进行孔边局部加强。 2、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。 参考文献： 1、材料力学 主编：刘鸿文 出版社：高等教育出版社 出版时间： 2004-01 第四版 2、材料力学 主编：刘鸿文 出版社：高等教育出版社 出版时间： 2004-01 第四版 3、工程力学 作者：王彪 出版社：中国科学技术大学出版社 4、设计中的应力集中系数 作者：R.E.彼德逊 出版社 ：中国工业出版社 出版时间：1965 年 05 月北京第 1 版 5、建筑钢结构进展 作者：澳门大学土木及环境工程系 中国澳门(郭伟明);香 港理工大学土木及结构工程系 中国香港(滕锦光;钟国辉) 出版时间：2007-03 6、王威,王社良,苏三庆,徐金兰;钢铁材料结构构件工作应力的检测方法及特 点J;钢结构;2004 年 05 期
