当今世界，产品越来越复杂，整体价格面临下行压力。这不可避免地增加了机械部件的几何复杂性。虽然这允许组件执行多种功能，但也导致了复杂的负载转移和可能的应力集中。
应力集中被定义为一个高的局部应力，与物体的平均应力相比，通常发现在一个具有突然几何变化的区域。本文将介绍应力集中的基础知识，提供真实世界的例子来说明这个概念，并概述在设计中减少应力集中的方法。
压力集中概述
当涉及到确定它们将位于何处以及它们是否导致了失败时，应力集中相对直接。它们将位于小半径和锋利的角落在加载路径上。下面的图像显示了一个组件，将有辊子在更小的直径轴两端，与负荷应用到顶部平面。
这种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，这是循环性质。下图是该零部件所在部件的渲染，包括带有轴承．
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。如果我们放大了这个半径，我们可以看到它仅在0.010时进入，如下所示。
如果你从上面回忆起，一个锐角或半径将是应力集中的位置。为了可视化这个应力集中，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，但我们可以参考下图进行复习。
我们有一个500磅的向下的力，我们已经固定了轴的表面，辊将坐在那里。剩下的唯一一步就是运行模拟并处理我们漂亮的图片！在下图中，我们可以看到美丽的红色斑点，表示应力集中。就这样…就这么简单！
我们可以看到，这是最高的应力特征，这将是第一个在循环加载下破坏的位置(尽管它最可能发生在底部的受拉一侧，而不是顶部受压一侧)。它将开始作为一个小的表面裂纹，最终传播通过组件完全失败。
也有一些基本的公式来定义这种类型的几何图形中的最大应力，当我们有一个弯矩应用。这种情况下的公式如下:
σ马克斯=kt*σ大道
地点:
K,t -应力集中系数
σ:构件的平均应力
在许多简单的几何图形中，应力集中因子被定义为一系列几何图形。下面的图表显示了这些因素的曲线和对关键维度比率的依赖关系。
使用此图表时，先将大直径除以小直径。假设我们有一根直径为2英寸的杆，它被降到了1英寸；这使我们的D/D为2。接下来，我们看一下半径与较小直径的比率。
再举一个例子，假设半径为0.1英寸，那么r/d比为0.1。如果我们看上面的图表，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，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。
需要注意的是，这个公式会根据负载情况和几何形状而变化，因此我鼓励您进一步探索附加几何形状的图表。既然我们已经了解了基础知识，我们就可以开始一些纠正应力集中的例子了。
实际的例子
在本节中，我们将看一些现实世界的例子以及我们如何在应力集中的位置降低峰值应力。我们将看到的第一个例子是我们的原始组件与滚筒。如果你记得，我们在直径上升的升级时有一个非常小的0.01“半径。现在，我们将增加直径为0.08英寸，看看我们可以减轻压力多少。
第一个图像是原始应力，第二个图像是半径较大的减小应力。
我们可以看到，应力从14419 psi一直下降到3873 psi。虽然由于原始半径非常小，这种差异非常极端，但它使我们知道应力集中对零件中应力的影响程度。
在接下来的两个例子中，我们将看一些施加拉伸载荷而不是弯矩的几何图形。第一部分是一个支撑支架，容纳黄铜销。黄铜销钉通常有一个向上的负荷施加，和基础是螺栓固定板，如下面的设置图像所示。
正如您可能预期的那样，在进行任何更改之前，我们再次运行FEA以获得基线应力值。这项研究的结果如下所示。
在小半径(0.030”)的底部，应力浓度肯定很高，范围一直在680000 psi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应力，即使是在一个非常不同的载荷情况和几何形状。在接下来的模拟中，我将半径从0.030“增加到0.080”，结果就好多了，如下图所示。
如果我想得到更低的应力，我可以通过加厚该组件所连接的法兰来实现。您可以看到浅蓝色，它指示了该零件在负载下是如何偏转的。
在我们的下一个例子中，我们有一个从中心切出菱形孔的平板。一端施加荷载，另一端固定，如下面的设置所示。
我相信现在你已经猜到，最高的应力将位于钻石形孔的顶部和底部的角落。如果是这样的话，你是完全正确的。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变大，但如果我们想要钻孔，而不是需要磨机或冲床呢?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，我们用一个圆孔进行了同样的模拟，这个圆孔的直径大于上面菱形孔从顶部到底部的距离。
可以看出，当应力区域增大时，峰值应力大小约为原始情况的1/3。在类似但不同的应用中，常见的是维修中心在裂纹的末端钻孔，以缓解与裂纹尖端非常小的半径相关的高应力集中。
我希望现在定位和减少应力集中的想法已经很清楚了，你可以很好地改进设计。虽然我在这里使用了FEA程序来确定应力的大小，但有一些通用的指导原则可以用于改进设计。
一般指导方针和应避免的问题
当谈到减轻压力的常用方法时，以下列出了一些简单的方法，让你迅速开始:
使半径在一个加载路径，因为你感到舒适。
尽可能限制大特征与小特征的比率。
在狭缝、尖角或裂缝的末端添加减应力孔，以缓解高应力集中。
参考应力集中图，以了解什么时候您处于相对于半径大小的收益递减的区域。
需要避免的常见问题有:
请勿沿装载路径使用尖角。
不要在加载的功能之间进行过大的转换。刚度失配将使应力集中程度大大提高。
不要假设所有的特征都有相同的半径大小。记住，应力集中是基于比率，而不是大小。
如果绝对必须使用尖角，不要在高循环载荷下放置应力集中。
正如你可能已经猜到的，大多数“不要做”和“应该做”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而应该知道的基本概念。
通过上面的例子和分析，我们应该清楚地知道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额定负载、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融合。总会有权衡，但这是适当的分析可以帮助实现一个优化的解决方案。
