07 塑性缺口系数(FKM)

专注于仿真分析和振动分析

00 导读

    静强度评估中，塑性缺口系数(Plastic notch factor)的确定是个难点。本文主要介绍FKM指南中关于塑性缺口系数的内容。

01 研究背景

FKM指南中名义应力静强度评估和局部应力静强度评估都有塑性缺口系数，相比来说，局部应力静强度评估的塑性缺口系数的确定要更为复杂，这就是本文主要介绍的内容。

02 Plastic notch factor（英文版）

   FKM指南中英文原文。

03 塑性缺口系数（中文版）

    塑性缺口系数Kp考虑了构件的塑性承载能力，计算公式如下。

    如果截面应力为均匀分布(比如无应力集中的拉伸工况)，Kp=1。

    参考点局部应力刚好达到屈服强度时的载荷称为弹性极限载荷(elastic limit load)。

    实际材料一般存在塑性强化特性，但假设构件为理想弹塑性材料(忽略塑性强化)，构件截面完全屈服而达到承载极限的载荷称为在塑性极限载荷(plastic limit load)。计算塑性极限载荷的推荐方法为：使用理想弹塑性材料本构进行非线性有限元分析，此时的有限元网格可以适当粗疏一些（如果是计算缺口应力，有限元网格必须更加细致）。

    塑性缺口系数的计算和材料屈服强度的具体值无关，但计算弹性极限载荷和塑性极限载荷必须使用一致的屈服强度值。

    因为塑性极限载荷的计算忽略了材料的塑性强化，所以塑性缺口系数Kp 随着Rp/Rm(屈服屈服比抗拉强度)比值越小而越保守。当Rp/Rm ＜0.75，可以使用修正屈服强度来计算塑性极限载荷。

    或者将原来的塑性缺口系数乘以一个系数0.5*(1+ Rm / Rp)。

    铸件特例。

    铸件的抗压强度明显大于抗拉强度，计算塑性缺口系数往往会忽略这一点。比如在弯曲工况下，截面上既存在拉力也存在压力，如果考虑拉压的区别，塑性缺口系数会有所提高，可以将原来的塑性缺口系数乘以一个系数。

    参考截面特例。

    如果能过构件参考点定义一个参考截面，该截面上应力分布以某种载荷效应(拉压，弯曲，剪切、扭转)为主，塑性缺口系数可以通过以下公式计算。

    由于忽略了多轴应力对屈服强度的影响，该计算方式通常是保守的，为此可以通过附加约束系数Kp,c来修正Kp，然而并不存在普适的计算方法，更多信息可以参考/26/。

04 微评

    01 塑性缺口系数不仅考虑了应力集中，也兼顾了材料的塑性能力。

    02 塑性缺口系数可以适当修正理想弹塑性本构假设引起的误差。

    03 塑性缺口系数可以考虑铸件拉压强度不一样的特性。

    04 塑性缺口系数可以联系应力集中系数，但需要满足一定条件。

05 附录

    本节介绍名义应力静强度评估的塑性缺口系数。

    如果截面类型不在表1.3.2中，塑性缺口系数由以下公式计算。

    对于弯曲工况，名义应力达到屈服强度时的载荷称为弹性极限弯矩(elastic limit moment)，弹性极限弯矩的计算公式如下。

    将抗弯截面沿着中性层分为抗拉区和抗压区，假设截面应力分布大小都为屈服强度，计算出塑性极限弯矩(plastic limit moment)。塑性缺口系数的计算公式如下。

    对于扭转工况，塑性缺口系数的计算方法类似。

    因为塑性极限载荷的计算忽略了材料的塑性强化，所以塑性缺口系数Kp 随着Rp/Rm(屈服屈服比抗拉强度)比值越小而越保守。当Rp/Rm ＜0.75，可以使用修正屈服强度来计算塑性极限载荷。

    或者将原来的塑性缺口系数乘以一个系数0.5*(1+ Rm / Rp)。