Кіріспе
Қатты дене механикасында кернеу концентрациясы (сонымен қатар кернеуді күшейтуші, кернеуді тудырушы немесе ойықшаға сезімталдық деп аталады) – бұл нысандағы кернеудің айналасындағы аймақтан едәуір жоғары болатын орын. Кернеу концентрациясы құрылымдық элементтің геометриясындағы немесе материалындағы бұзылыстардың нәтижесінде кернеу ағынының тоқтауынан туындайды. Бұл тесіктер, ойыстар, тіліктер және дөңгелектік бұрыштар сияқты егжей-тегжейлерден туындауы мүмкін. Кернеу концентрациясы сондай-ақ сызаттар мен жарықтар сияқты кездейсоқ зақымданулардан да пайда болуы мүмкін. Әдетте созылатын жүктемелер кезіндегі үзілістің концентрация дәрежесін өлшемсіз кернеу концентрациясы коэффициенті арқылы көрсетуге болады, ол ең жоғары кернеудің номиналды алыс өрістегі кернеуге қатынасы болып табылады. Шексіз пластинадағы дөңгелек тесік үшін кернеу концентрациясы коэффициентін жарықтың ұшындағы кернеулерге әсерін анықтау үшін қолданылатын кернеу қарқындылығы коэффициентімен шатастыруға болмайды. Майлы материалдар үшін үлкен жүктемелер жергілікті пластикалық деформацияны немесе иілуді тудыруы мүмкін, бұл әдетте кернеу концентрациясында бірінші болып пайда болады, бұл кернеуді қайта бөлуге және элементтің жүктемені жалғастыруына мүмкіндік береді. Кербез материалдар әдетте кернеу концентрациясында бұзылады. Дегенмен, қайталама төмен деңгейлі жүктемелер шаршау жарығының басталуына және тіпті майлы материалдардың да істен шығуына әкелетін кернеу концентрациясында баяу өсуіне әкелуі мүмкін. Шаршау жарықтары әрқашан кернеу күшейткіштерде басталады, сондықтан мұндай ақауларды жою шаршау кезеңін ұзартады.
In solid mechanics, a stress concentration (also called a stress raiser or a stress riser or notch sensitivity) is a location in an object where the stress is significantly greater than the surrounding region. Stress concentrations occur when there are irregularities in the geometry or material of a structural component that cause an interruption to the flow of stress. This arises from such details as holes, grooves, notches and fillets. Stress concentrations may also occur from accidental damage such as nicks and scratches. The degree of concentration of a discontinuity under typically tensile loads can be expressed as a non dimensional stress concentration factor , which is the ratio of the highest stress to the nominal far field stress. For a circular hole in an infinite plate, The stress concentration factor should not be confused with the stress intensity factor, which is used to define the effect of a crack on the stresses in the region around a crack tip. For ductile materials, large loads can cause localised plastic deformation or yielding that will typically occur first at a stress concentration allowing a redistribution of stress and enabling the component to continue to carry load. Brittle materials will typically fail at the stress concentration. However, repeated low level loading may cause a fatigue crack to initiate and slowly grow at a stress concentration leading to the failure of even ductile materials. Fatigue cracks always start at stress raisers, so removing such defects increases the fatigue strength.
Сипаттама
Кернеу концентрациясы құрылымдық элементтің геометриясындағы немесе материалындағы кемшіліктердің салдарынан кернеу ағынының тоқтауынан туындайды. Геометриялық үзілістер объектідегі жергілікті кернеудің артуына себеп болады. Кернеу концентрациясын тудыратын пішіндерге мысалдар: ішкі өткір бұрыштар, тесіктер, объектінің қимасының күрт өзгеруі, сондай-ақ ойықтар, сызаттар және жарықтар сияқты кездейсоқ зақымданулар. Жоғары жергілікті кернеулер объектінің мерзімінен бұрын бұзылуына әкелуі мүмкін, сондықтан инженерлер кернеу концентрациясын азайту үшін геометрияны тиімді жобалайды. Материалдық үзілістер, мысалы, металдардағы қоспалар да кернеуді шоғырландыруы мүмкін. Компонент бетіндегі қоспалар өндіріс кезінде механикалық өңдеу барысында сындырылуы мүмкін, бұл циклдық жүктеме кезінде өсетін микрожарықтарға алып келеді. Ішкі жағынан, жүктеме кезінде қоспалардың айналасындағы интерфейстердің бұзылуы микробос жану арқылы статикалық бұзылуға әкелуі мүмкін.
Факторларды анықтау әдістері
Кернеу концентрациясы коэффициенттерін өлшеу үшін фотоэластикалық кернеу талдау, термоэластикалық кернеу талдау, қаңқалы жабындар немесе деформация өлшегіштер сияқты эксперименталды әдістер бар. Жобалау кезеңінде кернеу концентрациясы коэффициенттерін бағалаудың бірнеше тәсілі қолданылады. Кернеу концентрациясы коэффициенттерінің бірнеше анықтамалықтары жарияланған. Олардың ішінде Питерсонның 1953 жылы алғаш жарық көрген «Кернеу концентрациясы бойынша есептеу факторлары» ең танымал. Бүгінгі таңда шекті элементтер әдістері жобалауда кеңінен қолданылады. Басқа әдістерге шекаралық элементтер әдісі және торсыз әдістер жатады.
Мысалдар
Де-Хавиланд кометі ұшағы бірнеше қатаң апатқа ұшырады, олардың себебі терезелердің айналасындағы тесілген бұранда тесіктерінен туындаған жоғары кернеу концентрациясынан пайда болған металлдың шаршау жарықтары екені анықталды. Төртбұрышты жолаушылар терезелерінің де күтілгеннен артық кернеу концентрациялары бар екендігі анықталды және олар қайта жобаланды. Атлант мұхитындағы қысқы дауылдардың суық және қиын жағдайларында "Бостандық" кемелерінің люктерінің бұрыштарындағы қатырған сынықтар. Имплантацияланған ортопедиялық құралда металлдың сүйекпен қосылатын жиегіндегі кернеу ошағы, ақаудың туындауына ең мүмкін нүкте болып табылады.