你可能见过这些日常画面:
  • 一般PC板哪怕磕出一个小口,也可能迅速裂开;
  • 塑料产品的尖角处总是最容易断裂;
  • 手机边框接口和桥梁接缝为何极易成为险情“重灾区”?
这些,都指向一个关键原理:应力集中。

PART 01

什么是“应力集中”?
当结构受力时,理想状态下应力应均匀分布。但现实中,孔洞、锐角、不连续或材料缺陷等几何瑕疵,会让应力“汇聚”在局部,远高于整体平均水平,这就是应力集中 
比如,一个简单拉伸板上的圆孔,会使局部应力是其他区域的 3 倍左右 。工程中常用 应力集中因子 Kₜ来衡量局部增强程度 :
Kₜ = σmaxnom
σmax = 最大应力
σnom= 总横截面上施加的或名义的应力
如何计算集中影因子:
可以通过使用各种公式和表格来完成,例如Roarke的压力和应变公式,或eFatigue.com等网站上的公式和表格。两个例子:
https://www.fictiv.com/articles/stress-concentrations-how-to-identify-and-reduce-them-in-your-designs
https://sendcutsend.com/blog/stress-concentrations/?srsltid=AfmBOoq6fXRb-Aqb6Xmvsx0kDusFt4FNtNTex5BUQQJzHBavNjbVDfz&utmsource=chatgpt.com
 

PART 02

为什么它危险?
局部应力骤增,是材料最容易出故障的“暗伤”点:
静载荷下,局部过高应力导致塑性变形或断裂;
疲劳载荷下,裂纹往往在这些集中处萌生并扩展,即便整体载荷不高也会失效 。
如果忽视应力集中,零件性能可能下降 3 倍甚至更多。

PART 03

怎么化解“暗伤”?实用工程师必备策略
1、增大圆角与过渡区域
在内部锐角处加入圆弧,使应力流更顺畅,大幅降低 Kₜ 。
https://sendcutsend.com/blog/stress-concentrations/?srsltid=AfmBOoo9N0ctV2bZMDSd4t9Z3TH_uvXqhnUmPdJHsa8vbTB2sa1DawHh
2、增设缓冲孔
有时在主孔前后增设小孔可分散应力,虽需谨慎使用,但在无仿真情况下为一种务实方法 。
3、引入仿真与实验工具
有限元分析(FEA):预测复杂载荷结构下的高应力区域 ;
应变片 / 光弹性实验:实测局部应变点,更精确评估 Kₜ。
4、材料与结构选型优化
采用高断裂韧性材料、功能梯度材料(FGM)等,可以有效降低应力集中带来的失效风险 。
5、智能预测趋势
引入 AI/神经网络等方法,预测应力集中因子,大幅提升设计效率与精度 。

PART 04

怎么利用“应力集中”?实用工程师必备策略
有时,设计人员可能希望引起应力集中,以使组件故意断裂。一些示例包括:
  • “机械保险丝”,一种廉价的部件,以受控方式断裂,而不是更昂贵的部件,例如剪切螺栓。
  • 无需切割工具即可现场拆卸的零件段 - 想想袋子上的穿孔或电气接线盒上的敲出孔。

PART 05

小结:细节决定结构生命力
结构是否牢固,不在于整体强度,而在于“最弱一环”的设计。只要从以下几方面入手:精心几何过渡、合理孔位布局、专业缓冲设计、仿真与实验验证,甚至 AI 辅助预测,就能让“小缺口”不再是“致命暗点”。

作者 808, ab