理解应力集中现象

前面指出等截面直杆受拉伸或压缩时,横截面上的应力是均匀分布的。工程实际中,由于结构或工艺的需要,有些构件必须有切口、切槽、孔洞、螺纹、轴肩等,从而使构件的横截面尺寸发生突变。实验和理论分析表明,在这些横截面发生突变的地方,应力不再均匀分布。如图2.38所示,有切口的拉杆在圆孔切口附近的局部区域内,应力急剧增大,但在离开切口稍远处,应力迅速降低而趋于均匀分布。这种因杆件横截面尺寸发生突变而引起的局部应力急剧增大的现象,称为应力集中。

图2.38　拉杆切口截面上的应力分布情况

应力集中的程度用理论应力集中系数k表示,即(www.xing528.com)

式中:σmax为发生应力集中横截面上的最大应力;σm为同一横截面上的平均应力。

k是一个大于1的系数,其大小取决于横截面的几何形状、尺寸以及开孔的形状、大小、截面改变处过渡圆弧的尺寸等。实验结果表明:截面尺寸改变越急剧,角越尖,孔越小,应力集中越严重。因此,实际工程中应尽量避免带尖角的孔或槽,阶梯轴轴肩处过渡圆弧的半径尽量大些。

工程上不同材料对应力集中的敏感程度并不相同。一般说来,用塑性材料制成的零件在静载荷作用下,可以不考虑应力集中的影响;脆性材料对应力集中比较敏感,则应当考虑;而当构件受周期性变化的载荷或受冲击载荷作用时,无论是塑性或脆性材料,应力集中往往是构件产生破坏的根源,所以都应当考虑应力集中的问题。