结构设计一生之敌，如何对付应力集中

【引言】

1952年，英国投入使用人类第一款喷气民航客机，德·哈维兰“彗星”型。

这款巡航速度超700km/h，高度达13000米的客机，以其高速和平稳性使英国成为航空界的翘楚。

但仅仅在运营2年之后，飞机就接连发生3起重大空难，而且都是空中机身解体。丘吉尔首相下令，飞机停飞，彻查空难。

调查人员修建了超大型水槽，对飞机进行重复加压和卸压，模拟飞机起降过程。不到一个月的重复之后，水槽中的机身蒙皮出开始出现裂痕，顺着飞机窗户的一个角延伸开。

1955年公布的调查结果指出了空难发生的罪魁祸首：飞机的方形窗户。

此后，飞机的窗户逐渐圆润，结构工程师们也结识了自己的一生之敌：应力集中。

【定义】

应力集中指的是结构中某些区域的实际应力大于名义应力的现象。

衡量应力集中的严重程度，通常采用应力集中系数k。其定义是某处的实际最大应力除以名义应力，即：

举例：下图孔洞处两侧的应力，按照计算公式F/A得到名义应力为120MPa。但边缘实际应力达到200MPa，此时应力集中系数就是1.67。

正如彗星客机那从窗户一角延伸开的裂缝一样，应力集中叠加金属疲劳，很可能导致局部失效或破坏，因此在设计和材料选择中需特别关注。

【场景】

产生应力集中的场景很多，比如加工缺陷、材料缺陷以及不同材料的结合等。但最常见的还是结构的几何突变，即几何不连续，包括突出其来的拐角、孔洞、缺口和截面变化。

有没有突然感觉每种结构都好脆弱？画图都有种无从下手撂挑子不干的冲动。

冷静，下节讲讲怎么应对。

【应对】

应力集中通常只能缓解，不能消除。毕竟，工字钢不能没有拐角，板子不能没有螺钉孔，轴承不能没有键槽，人也不能没有工作。

缓解应力集中，你可以在截面突变处加个倒角，在不得不开孔的地方尽量减小孔径，在不得不拐弯的地方尽量拐丝滑一点。

只要应力集中产生的应力值在可接受的范围内，结构设计就是成功的。至于说应力值为多大才算可接受，行有行规，各行各业通常会有对应材料的“许用应力”。

对常用的塑性材料结构钢和铝合金，通常以其屈服极限除以1.5~2.5的安全系数作为许用应力。

对脆性材料铸铁和高强度钢，通常以其强度极限除以2~5的安全系数作为许用应力。

为了让你在设计时心里有底，机械设计领域有一本流传已久的武林秘籍，《实用应力集中手册》。手册用曲线告诉你各种设计对应的应力集中系数，丰富且实用。

1984年出版，至今依然有不少受众。机械行业越老越吃香，诚不欺我。

但现在毕竟2024年了，无论是精度还是可操作性，查手册这种古老的方式逐渐跟不上时代。

比如你想通过查表，看看这个风扇叶片的应力集中及应力分布情况。

难办，老师傅看见都摇头。

在当今工程界，CAD已经取代了铅笔和图纸。CAE也正在取代泛黄的手册，更主流更准确且更具操作性的方式是计算机有限元仿真。

比如我司开发的智能结构仿真软件AIFEM ，在算准算快的基础上，就主打一个好上手。让初级结构工程师用完之后都忍不住感叹：仿真分析就这？我之前寻思多高大上呢。

下面小试牛刀，举两个例子。

先来简单的。一个存在突然变径的金属棒，在拉力作用下，AIFEM仿真计算得到其最大应力为343.4MPa，而且最大值正是在变径处，即存在应力集中。

如何处理呢？如前所述，让变化来得别那么突然，丝滑~一点，尝试给变径加个倒角。

再次仿真计算，其最大应力值就降低到了293.2MPa。虽然应力集中无法彻底消除，最大值依然在变径处，但程度明显减轻。

再来个稍微复杂一丢丢的，让老师傅摇头的风扇。

假定风扇叶片材料是Q235钢，通过在AIFEM中施加旋转惯性力，让其以每分钟3000转的速度旋转。仿真得到其最大应力为278.4MPa，出现在叶片根部。

由于最大应力已超过钢的屈服应力235MPa，必然不满足要求。那么此时风扇就要改进结构，比如在叶片根部增加倒角。或更换材料，比如换用高强度钢。当然，还可以降速运行，减小载荷。

【结语】

应力集中是工程领域的重要概念，正确认识、理解及缓解应力集中，是广大结构工程师的必修课。

有限元仿真现已逐渐成为结构分析主流且实用的手段，帮助工程师评估结构强度，发现薄弱点。

AIFEM易上手计算快，是广受结构工程师心疼的好工具。快来南京天洑软件下载，作为见面礼，默认送你30天免费试用。

若好用你留着，不好用删了便是，无需愧疚。