【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。
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。
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。
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。