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在今天的世界中，产品越来越复杂，对整体定价下调。这导致了机械部件的几何复杂性的不可避免的增加。虽然这允许组件执行多种功能，但它导致复杂的负载转移和可能的应力集中。
与身体的平均应力相比，应力浓度定义为高局部应力，并且通常在具有突然几何变化的区域中找到。本文将通过压力集中的基础知识，提供真实的例子来说明概念，以及降低设计中应力集中的概述方法。
压力集中概述
当识别它们的位置以及它们是否有助于失败时，应力浓度相对简单。它们将位于小半径和锋利的角落这是一个负载路径。下图显示了两端较小直径轴上的辊子的部件，其中负载施加到顶部平坦表面。
这个设置将几乎表现为滑板卡车，但我们将加载到一个更高的力，这是循环的性质。下图是该组件进入的子组件的渲染图，其中包括滚轮18beplay ．
现在我们可以看到较小的直径轴与滚子支撑件的中心部分以相对突然的半径达到。如果我们放大这一半径，我们可以看到它仅为0.010“，如下所示。
如果你从上面回忆，锐角或半径将是应力集中的位置。为了将这种应力集中形象化，我将运行一个FEA研究，它将很好地绘制出这些应力。负载情况已经讨论过了，但是我们可以参考下面的插图来复习一下。
我们有一个向下的500磅的力，我们已经固定了轴的表面，辊子将坐的地方。剩下的唯一步骤是运行模拟和处理我们漂亮的图片!在下面的图片中，我们可以看到漂亮的红色点，这表明了一个应力集中。就是这样，就这么简单!
我们可以看到，这是应力最高的特征，这将是在循环加载下第一个失效的位置(尽管它最有可能发生在受拉的底部，而不是顶部的压缩侧)。它将开始作为一个小的表面裂纹，最终扩展到整个组件的失效。
也有一些基本的公式来定义这种几何形状的最大应力，当我们有一个弯矩时。这种情况下的公式如下:
σ.最大限度= kt*σ大街
地点:
K，T - 应力浓度因子
σ，Ave - 成员的平均压力
在许多简单的几何形状中，应力集中系数是为一系列几何形状定义的。下面的图表显示了这些因素的曲线以及对关键维度比率的依赖关系。
这个图表首先用大直径除以小直径。假设我们有一个直径为2英寸的杆它被缩小到1英寸;D/ D是2。接下来，我们看一下半径与较小直径的比值。
另一个例子，假设半径是0.1英寸，所以r/d的比值是0.1。如果我们看看上面的图表，我们需要找到表示D/ D为2的曲线。然后我们看x轴，确定r/d为0.1，再看Y轴，得到应力集中系数约为1.8。
下图以图形格式显示了所有这些内容。
值得注意的是，此公式基于负载案例和几何来改变，因此我鼓励您进一步探索额外几何形状的图表。现在我们了解基础知识，我们可以进入纠正压力集中的一些例子。
真实世界的例子
在本节中，我们将看一些现实世界的示例以及如何在应力集中的位置降低峰值应力。我们将查看的第一个例子是我们的原始组件与滚筒。如果你记得，我们在直径的升级上有一个非常小的0.01“半径。现在，我们将增加直径为0.08“，看看我们可以减轻压力多少。
第一个图像为原始应力，第二个图像为半径较大的简化应力。
我们可以看到，压力从14419 psi一路下降到3873 psi。虽然由于初始半径极小，这种差异非常极端，但它揭示了应力集中会在多大程度上影响该部件的应力。
在接下来的两个示例中，我们将看一些具有施加拉伸载荷的几何形状，而不是弯矩。第一部分是保持黄铜引脚的支架支架。黄铜销通常具有施加的向上负载，并且底座被用螺栓固定到固定板，如下面的设置图像所示。
正如你所预料的那样，在进行任何更改之前，我们再次运行了FEA来获得一个基线应力值。本研究的结果如下所示。
底座的应力与小半径（0.030“）绝对是高浓度，一直在68,0000psi以上。到目前为止，我们可以猜测更大的半径应该有助于降低这里的强调，即使有很多不同的负载箱和几何形状。在下一次模拟中，我增加了0.030“至0.080”的半径，结果好得多，如下所示。
如果我想要得到更低的应力，我可以通过加厚这个组件所连接的法兰来做到这一点。您可以看到浅蓝色，它表示这部分是如何在负载下偏转的。
在我们的下一个例子中，我们有一个中间挖出一个菱形孔的平板。有一个负载应用在一端，而另一端是固定的，如下面的设置所示。
我敢肯定，到目前为止，您已经猜到，最大的压力将位于钻石形洞的顶部和底部的角落。如果是这样的话，你是绝对正确的。下一个图像显示了这个模拟的结果。
我们可以看到应力集中在我们预期的地方。我们知道我们可以让半径更大，但如果我们想要钻孔的选择，而不是需要轧机或冲床呢?我们是否可以使用更大直径的圆，有效地减少零件的总材料，并仍然降低应力?
绝对的!如下图所示，同样的模拟在圆孔上进行，圆孔的直径比上面菱形孔的顶部到底部的距离大。
我们可以看出，虽然应力区域更大，但峰值应力的大小大约是原始壳体的1/3。在类似的方法中但是不同的应用中，修理中心常见的是在裂缝的末端钻孔以减轻与裂缝尖端的非常小的半径相关的高应力浓度。
我希望现在定位和减少应力集中的思想已经很清楚了，并且您已经在改进设计的道路上走得很好了。虽然我在这里使用了一个FEA程序来确定应力的大小，但有一些通用的指导方针可以用来改进设计。
避免的一般指导方针和问题
当谈到减轻压力的常见方法时，以下列出了一些简单的方法，可以让你快速开始:
使RADII在负载路径中尽可能舒适地制作它们。
在可能的情况下，限制大特征与小特征的比例。
在狭缝，尖锐角度或裂缝的末端添加压力减小孔以减轻高应力浓度。
请参阅应力集中图表，以了解您在递减返回的返回范围内的RADIUS大小的区域中。
以下是一些需要避免的常见问题:
在装载路径上不要使用尖角。
不要在加载的特性之间进行大尺寸的转换。刚度不匹配将导致应力集中程度更高。
不要认为相同的半径大小适用于所有功能。记住，应力集中是基于比率，而不是大小。
如果你必须使用尖角，不要在高循环载荷下放置应力集中。
你可能已经猜到了，大多数“不要做”和“要做”是相反的。这个列表并不全面，但它应该涵盖了每个设计师为了提高自己的设计技能应该知道的基本概念。
通过上面的例子和分析，应该很清楚为什么我们需要关注应力集中。通过在设计中融入这些概念，您应该能够实现更高的负载额定值、可靠性和疲劳寿命。
我鼓励设计团队讨论产品需求和设计选择，以确保美学和功能的适当结合。凡事都会有权衡，但权衡是恰当的分析可以帮助实现优化的解决方案。
