1、應(yīng)力集中的概念及其避免措施現(xiàn)今社會，由于應(yīng)力集中造成構(gòu)件斷裂，產(chǎn)生疲勞，對結(jié)構(gòu)安全危害大。了 解應(yīng)力集中，并找出其避免措施，對人們的生活具有重大的意義。首先，先讓我們了解一下應(yīng)力與應(yīng)力集中的概念，應(yīng)力即受力物體截面上內(nèi)力的 集度，即單位面積上的內(nèi)力。公式記為。=F/S （其中，。表示應(yīng)力； Fj表 示在j方向的施力； Ai表示在i方向的受力面積）。材料在交變應(yīng)力作用 下產(chǎn)生的破壞稱為疲勞破壞。通常材料承受的交變應(yīng)力遠(yuǎn)小于其靜載下的強(qiáng)度極 限時，破壞可能發(fā)生。另外材料會由于截面尺寸改變而引起應(yīng)力的局部增大，這 種現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中。對于由脆性材料制成的構(gòu)件，應(yīng)力集中現(xiàn)象將一直保持到 最大局部應(yīng)力到

2、達(dá)強(qiáng)度極限之前。因此，在設(shè)計脆性材料構(gòu)件時，應(yīng)考慮應(yīng)力集 中的影響。對于由塑性材料制成的構(gòu)件，應(yīng)力集中對其在靜載荷作用下的強(qiáng)度則 幾乎無影響。所以，在研究塑性材料構(gòu)件的靜強(qiáng)度問題時，通常不考慮應(yīng)力集中 的影響。承受軸向拉伸、壓縮的構(gòu)件，只有在寓加力區(qū)域稍遠(yuǎn)且橫截面尺寸又無劇烈變化 的區(qū)域內(nèi)，橫截面上的應(yīng)力才是均勻分布的。然而實際工程構(gòu)件中，有些零件常 存在切口、切槽、油孔、螺紋等，致使這些部位上的截面尺寸發(fā)生突然變化。如 開有圓孔和帶有切口的板條，當(dāng)其受軸向拉伸時，在圓孔和切口附近的局部區(qū)域 內(nèi)，應(yīng)力的數(shù)值劇烈增加，而在離開這一區(qū)域稍遠(yuǎn)的地方，應(yīng)力迅速降低而趨于 均勻。這時，橫截面上的應(yīng)力不再

3、均勻分布，這已為理論和實驗證實。02-31Wfl| 2-31B所示的帶國毛的板條,使其承受釉向粒伸.由觥結(jié)果可加!在圓孔 州近的同參區(qū)域內(nèi).應(yīng)力蠢頂|贈大，巾框島吁達(dá)一區(qū)域常證妃騰力4思找小而捋中均勻 （圖2 31W）.這種由于#WB尺寸突霸受娜引起的府力局部增大的現(xiàn)象牌為成力您中，/I I I Ol碰最大力皿的平的問力b 出 用衣fca=圣R - 1?)再為理對府力堡中靚.它一映孑疥力蟄中的催應(yīng).昆 個燈1的扇我*而目試騁 IIOVI :藏商尺寸改攵原攜L胸力坦巾麻歌就意大.因此.零件.卜摭切漏琵也船尖 ）的扎曲隊 的牌外微n的晚棗鈿排威泣涯IAP IffK I IB02-32在靜荷載作用下

4、，各種材料對應(yīng)力集中的敏感程度是不同的。像低碳鋼那樣 的塑性材料具有屈服階段，當(dāng)孔邊附近的最大應(yīng)力達(dá)到屈服極限時，該處材料首 先屈服，應(yīng)力暫時不再增大。如外力繼續(xù)增加，增加的應(yīng)力就由截面上尚未屈服 的材料所承擔(dān)，是截面上其他點(diǎn)的應(yīng)力相繼增大到屈服極限，該截面上的應(yīng)力逐 漸趨于平均，如圖2-32所示。因此，用塑性材料制作的零件，在靜載荷作用下 可以不考慮應(yīng)力集中的影響。而對于組織均勻的脆性材料，因材料不存在屈服， 當(dāng)孔邊最大應(yīng)力的值達(dá)到材料的強(qiáng)度極限時，該處首先斷裂。因此用脆性材料制 作的零件，應(yīng)力集中將大大降低構(gòu)件的強(qiáng)度，其危害是嚴(yán)重的。這樣，即使在靜 載荷作用下一般也應(yīng)該考慮應(yīng)力集中對材料承

5、載能力的影響。然而，對于組織不 均勻的脆性材料，如鑄鐵，其內(nèi)部組織的不均勻性和缺陷，往往是產(chǎn)生應(yīng)力集中 的主要因素，而截面形狀改變引起的應(yīng)力集中就可能成為次要的了，它對于構(gòu)件 的承載能力不一定會造成明顯的問題。下面，就應(yīng)力集中造成構(gòu)件斷裂，產(chǎn)生疲勞，舉幾個實例。1、日本航空123號班機(jī)空難事件，發(fā)生于1985年8月12日，班機(jī)是 波音747-100SR型，飛機(jī)編號JA8119。搭載509名乘客及15名機(jī)組員，從日本 東京的羽田機(jī)場，預(yù)定飛往大阪伊丹機(jī)場。在御巢鷹山區(qū)附近的高天原山（距離 東京約100公里）墜毀，520人罹難。此次空難事件也是世界上牽涉到單一架次 飛機(jī)的空難中，死傷最慘重的。事故

6、原因：日本官方的航空與鐵道事故調(diào)查委員 會，經(jīng)過調(diào)查后，做出三點(diǎn)結(jié)論。1.1978年6月2日，該飛機(jī)在大阪的伊丹機(jī) 場曾損傷到機(jī)尾；2.機(jī)尾受損后，波音公司沒有妥善修補(bǔ)，正常需要二排鉚釘， 但維修人員只是將損傷的部分補(bǔ)了一排鉚釘，所以增加了接合點(diǎn)附近金屬蒙皮所承受的剪力，使該處累積了金屬疲勞的現(xiàn)象;3.該處的壓力壁在損壞后，造成四 組液壓系統(tǒng)故障（液壓油泄漏），導(dǎo)致機(jī)師無法正常操控飛機(jī)。2、2004年日本美浜核電站事故。雖然并未導(dǎo)致核泄漏，但蒸汽爆發(fā)還 是導(dǎo)致5名工人死亡，數(shù)十人受傷。美浜核電站座落于東京西部大約320公里的 福井縣，1976年投入運(yùn)營，1991年至2003年曾發(fā)生過幾次與核有

7、關(guān)的小事故。 2004年8月9日，渦輪所在建筑內(nèi)連接3號反應(yīng)堆的水管在工人們準(zhǔn)備進(jìn)行例 行安全檢查時突然爆裂。雖然并未導(dǎo)致核泄漏，但蒸汽爆發(fā)還是導(dǎo)致5名工人死 亡，數(shù)十人受傷。2006年，美浜核電站又發(fā)生火災(zāi)，導(dǎo)致兩名工人死亡。事故 原因主要是蒸汽發(fā)生器內(nèi)細(xì)管的金屬疲勞。3、1998年德國ICE城際列車脫軌事件。1998年6月3日，由慕尼黑開往漢保的 德國ICE884次高速列車在運(yùn)行至距漢諾威東北方向附近的小鎮(zhèn)埃舍德時，發(fā)生 了第二次世界大戰(zhàn)后德國最為慘重的列車脫軌行車事故。該列車由兩輛機(jī)車和 12輛拖車組成，事故發(fā)生后12輛拖車全部脫軌。截止到6月17日，已有100 人死亡，88人重傷。6月

8、17日，聯(lián)邦鐵路局局長在德國聽證會上公布了對事故發(fā)生過程的初步調(diào)查 結(jié)果：在列車運(yùn)行距公路跨線橋約6公里時，第一節(jié)拖車的3輪對的輪箍發(fā)生破 裂，列車?yán)^續(xù)以200公里/小時的速度運(yùn)行，輪箍斷裂并擁塞在高速動輪的輪對 中，劇烈的摩擦發(fā)出刺耳的轟隆聲，在距公路橋約300公里處，已斷裂的輪箍勾 住了埃舍德車站的一組道岔，使拖車挑起、脫軌并與機(jī)車脫鉤，脫軌的車輪則落 在相鄰的線路上，列車?yán)^續(xù)運(yùn)行120米后，脫軌的車輪被鄰線的另一組道岔改變 了方向，突然猛烈地甩向右側(cè)，第3節(jié)拖車尾部與橋墩猛烈沖撞，使跨線橋部分 坍塌墜落。馳過跨線橋的頭部機(jī)車經(jīng)緊急制動后運(yùn)行約2公里停車，沒有脫軌； 與頭車分離的第1-3節(jié)

9、拖車脫軌后停在橋后約300米處；第4-5節(jié)拖車被坍塌的 橋梁砸毀，后部第6-12節(jié)拖車以最大的慣性沖撞擠壓在一起，尾部機(jī)車幾乎未 受損壞。該列車車輪系橡膠彈性車輪，輪箍是軋制的無縫鋼圈，通過熱效應(yīng)壓在 輪心上，輪心是鑄鋼輪體，輪箍與輪心間有一層橡膠體。輪箍軋制時若殘留氣泡 或礦碴，在高壓負(fù)荷動力作用下，就可能開裂；也可能是由于輪箍材料老化產(chǎn)生 “疲勞斷裂”所致。事故發(fā)生后，其余59列ICE型列車中止運(yùn)營，并進(jìn)行了全 面檢查。44列ICE2列車的運(yùn)營雖未受事故影響，但最高時速已降低到160公里。以上例子都足以說明了應(yīng)力集中引起構(gòu)件疲勞、斷裂，造成的危害是非常 嚴(yán)重的，甚至影響著人們的生活安全。是

10、個不容忽視的問題。最后，讓我們討論一下現(xiàn)實中避免應(yīng)力集中的一些方法。1、包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)力集中避免與利用為避免應(yīng)力集中造成構(gòu)件破壞，可采取消除尖角、改善構(gòu)件外形、局部加強(qiáng)孔邊 以及提高材料表面光潔度等措施；另外還可對材料表面作噴丸、輥壓、氧化等處 理，以提高材料表面的疲勞強(qiáng)度。用ANSYS模擬鋼筋混凝土梁兩點(diǎn)對稱加載，集 中荷載如何布置才能避免應(yīng)力集中造成混凝土過早破壞！在加載點(diǎn)加一個墊塊。 通過等效線荷載施加好像值得試試，不過線荷載分布長度不宜太大！曲線預(yù)應(yīng)力 筋作用按照等效荷載作用替代，端頭軸力按照實際錨具承壓端板大小劃分一個面， 在此面作用軸壓力，可以解決集中力過大問題。北京奧運(yùn)會體育

11、場游泳館的幕 墻ETFE膜結(jié)構(gòu)幕墻設(shè)計要點(diǎn)(4)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的設(shè)計，以避免應(yīng)力集中；摘 要： 探討加權(quán)組合預(yù)測方法在應(yīng)力集中問題中的應(yīng)用，以帶小孔的拉板為例，對采樣 點(diǎn)的數(shù)據(jù)分別建立GM(1,1)模型、趨勢曲線預(yù)測模型和最優(yōu)加權(quán)組合預(yù)測模型, 并對各模型的誤差和進(jìn)行比較.結(jié)果表明，組合預(yù)測模型的擬合和預(yù)測精度比單 個模型要高.因此，用最優(yōu)加權(quán)組合預(yù)測模型來推求應(yīng)力集中區(qū)的最大應(yīng)力，是工 程測試數(shù)據(jù)處理的一種比較實用的新方法.邊界元法在艙口角隅應(yīng)力集中問題中 的應(yīng)用灰色系統(tǒng)模型及其在應(yīng)力集中問題中應(yīng)用在工程結(jié)構(gòu)的凹角、缺口、溝槽、 孔洞附近均會發(fā)生應(yīng)力集中，其中孔洞附近的應(yīng)力局部增高稱為孔邊應(yīng)力集中。 在水利工程中，大壩的壩踵附近以及壩內(nèi)廊道附近的應(yīng)力局部增高是應(yīng)力集中的 典型實例。由于應(yīng)力集中能使結(jié)構(gòu)發(fā)生裂紋，甚至斷裂，須采取措施，防止因應(yīng)力集中 而造成的結(jié)構(gòu)損壞，主要措施有：改善結(jié)構(gòu)外形，避免形狀突變，盡可能開圓 孔或橢圓孔；結(jié)構(gòu)內(nèi)必須開孔時，盡量避開高應(yīng)力區(qū)，而在低應(yīng)力區(qū)開孔； 根據(jù)孔邊應(yīng)力集中的分析成果進(jìn)行孔邊局部加強(qiáng)。2、實際工程中圓滑的角避免應(yīng)力集中在制作各種拉力工具時，拉腳的拐彎處應(yīng)設(shè)圓角，這并