Введение
Место в объекте, где напряжение значительно превышает напряжение в окружающей области.
В механике твердого тела концентрация напряжений (также называемая концентратором напряжений, источником концентрации напряжений или чувствительностью к выемкам) – это место в объекте, где напряжение существенно больше, чем в окружающей области. Концентрация напряжений возникает при наличии неровностей в геометрии или материале конструктивного элемента, которые нарушают ход силовых линий. Это может быть вызвано такими деталями, как отверстия, канавки, выемки и скругления. Концентрация напряжений может также возникать из-за случайных повреждений, таких как сколы и царапины. Степень концентрации в месте нарушения при типичных растягивающих нагрузках может быть выражена безразмерным коэффициентом концентрации напряжений, который представляет собой отношение максимального напряжения к номинальному напряжению вдали от нарушения. Для круглой дыры в бесконечной пластине коэффициент концентрации напряжений не следует путать с коэффициентом интенсивности напряжений, который используется для определения влияния трещины на напряжения в области вокруг ее вершины. Для пластичных материалов большие нагрузки могут вызывать локальную пластическую деформацию или текучесть, которая обычно возникает в первую очередь в зоне концентрации напряжений, позволяя перераспределить напряжение и обеспечивая возможность дальнейшего восприятия нагрузки компонентом. Хрупкие материалы, как правило, разрушаются в зоне концентрации напряжений. Однако повторные низкоуровневые нагрузки могут привести к образованию и медленному росту усталостной трещины в зоне концентрации напряжений, что приведет к разрушению даже пластичных материалов. Усталостные трещины всегда начинаются в концентраторах напряжений, поэтому устранение таких дефектов повышает усталостную прочность.
Описание
Концентрация напряжений возникает при наличии неровностей в геометрии или материале конструктивного элемента, которые нарушают распределение напряжений. Геометрические несоответствия вызывают локальное увеличение напряжения в объекте. Примерами форм, вызывающих концентрацию напряжений, являются острые внутренние углы, отверстия и резкие изменения площади поперечного сечения, а также случайные повреждения, такие как сколы, царапины и трещины. Высокие локальные напряжения могут привести к более быстрому разрушению объекта, поэтому инженеры обычно проектируют геометрию таким образом, чтобы минимизировать концентрацию напряжений. Несоответствия в материале, такие как включения в металлах, также могут вызывать концентрацию напряжений. Включения на поверхности компонента могут быть разрушены в процессе обработки при изготовлении, что приводит к образованию микротрещин, которые растут при эксплуатации под воздействием циклической нагрузки. Внутри материала разрушение границ раздела вокруг включений при нагрузке может привести к статическому разрушению посредством коалесценции микропустот.
Методы определения факторов
Существуют экспериментальные методы измерения коэффициентов концентрации напряжений, включая фотоупругий анализ напряжений, термоупругий анализ напряжений, хрупкие покрытия или тензодатчики. На этапе проектирования существует несколько подходов к оценке коэффициентов концентрации напряжений. Опубликовано несколько справочников по коэффициентам концентрации напряжений. Наиболее известным, пожалуй, является "Факторы проектирования при концентрации напряжений" Питерсона, впервые изданный в 1953 году. В настоящее время широко используются методы конечных элементов. К другим методам относятся метод граничных элементов и бессеточные методы.
Примеры
Самолет de Havilland Comet испытал ряд катастрофических разрушений, которые в конечном итоге были связаны с усталостными трещинами, возникающими из-за высокой концентрации напряжений, вызванной использованием отверстий, пробитых для заклепок, вокруг окон. Было также установлено, что квадратные пассажирские окна имели более высокую концентрацию напряжений, чем ожидалось, и они были перепроектированы. Хрупкие разрушения в углах люков на кораблях типа Liberty возникали в холодных и напряженных условиях во время зимних штормов в Атлантическом океане. Точка концентрации напряжения на границе имплантата, в месте соприкосновения металла и кости, имплантированного ортеза, с высокой вероятностью является местом разрушения.