关于应力集中的概念及其避免措施的讨论

关于应力集中的概念及其避免措施的讨论
现今社会，由于应力集中造成构件断裂，产生疲劳，对结构安全危害大。
了解应力集中，并找出其避免措施，对人们的生活具有重大的意义。

首先，先让我们了解一下应力与应力集中的概念，应力即受力物体截面上内力
的集度，即单位面积上的内力。公式记为σ=F/S (其中，σ表示应力；
ΔFj 表示在j 方向的施力；ΔAi 表示在i 方向的受力面积)。材料在交
变应力作用下产生的破坏称为疲劳破坏。通常材料承受的交变应力远小于其静
载下的强度极限时，破坏可能发生。另外材料会由于截面尺寸改变而引起应力
的局部增大，这种现象称为应力集中。对于由脆性材料制成的构件，应力集中
现象将一直保持到最大局部应力到达强度极限之前。因此，在设计脆性材料构
件时，应考虑应力集中的影响。对于由塑性材料制成的构件，应力集中对其在
静载荷作用下的强度则几乎无影响。所以，在研究塑性材料构件的静强度问题
时，通常不考虑应力集中的影响。
承受轴向拉伸、压缩的构件，只有在寓加力区域稍远且横截面尺寸又无剧烈变
化的区域内，横截面上的应力才是均匀分布的。然而实际工程构件中，有些零
件常存在切口、切槽、油孔、螺纹等，致使这些部位上的截面尺寸发生突然变
化。如开有圆孔和带有切口的板条，当其受轴向拉伸时，在圆孔和切口附近的
局部区域内，应力的数值剧烈增加，而在离开这一区域稍远的地方，应力迅速
降低而趋于均匀。这时，横截面上的应力不再均匀分布，这已为理论和实验证
实。
在静荷载作用下，各种材料对应力集中的敏感程度是不同的。像低
碳钢那样的塑性材料具有屈服阶段，当孔边附近的最大应力达到屈服极限时，
该处材料首先屈服，应力暂时不再增大。如外力继续增加，增加的应力就由截
面上尚未屈服的材料所承担，是截面上其他点的应力相继增大到屈服极限，该
截面上的应力逐渐趋于平均，如图2-32所示。因此，用塑性材料制作的零件，
在静载荷作用下可以不考虑应力集中的影响。而对于组织均匀的脆性材料，因
材料不存在屈服，当孔边最大应力的值达到材料的强度极限时，该处首先断
裂。因此用脆性材料制作的零件，应力集中将大大降低构件的强度，其危害是
严重的。这样，即使在静载荷作用下一般也应该考虑应力集中对材料承载能力
的影响。然而，对于组织不均匀的脆性材料，如铸铁，其内部组织的不均匀性
和缺陷，往往是产生应力集中的主要因素，而截面形状改变引起的应力集中就
可能成为次要的了，它对于构件的承载能力不一定会造成明显的问题。
下面，就应力集中造成构件断裂，产生疲劳，举几个实例。
1、日本航空123号班机空难事件，发生于1985年8月12日，班机是
波音747-100SR型，飞机编号JA8119。搭载509名乘客及15名机组员，从日
本东京的羽田机场，预定飞往大阪伊丹机场。在御巢鹰山区附近的高天原山
（距离东京约100公里）坠毁，520人罹难。此次空难事件也是世界上牵涉到
单一架次飞机的空难中，死伤最惨重的。事故原因：日本官方的航空与铁道事
故调查委员会，经过调查后，做出三点结论。1.1978年6月2日，该飞机在大
阪的伊丹机场曾损伤到机尾；2.机尾受损后，波音公司没有妥善修补，正常需
要二排铆钉，但维修人员只是将损伤的部分补了一排铆钉，所以增加了接合点
附近金属蒙皮所承受的剪力，使该处累积了金属疲劳的现象;3.该处的压力壁在
损坏后，造成四组液压系统故障（液压油泄漏），导致机师无法正常操控飞
机。
2、2004年日本美浜核电站事故。虽然并未导致核泄漏，但蒸汽爆发
还是导致5名工人死亡，数十人受伤。美浜核电站座落于东京西部大约320公
里的福井县，1976年投入运营，1991年至2003年曾发生过几次与核有关的小
事故。2004年8月9日，涡轮所在建筑内连接3号反应堆的水管在工人们准备
进行例行安全检查时突然爆裂。虽然并未导致核泄漏，但蒸汽爆发还是导致5
名工人死亡，数十人受伤。2006年，美浜核电站又发生火灾，导致两名工人死
亡。事故原因主要是蒸汽发生器内细管的金属疲劳。
3、1998年德国ICE城际列车脱轨事件。1998年6月3日，由慕尼黑开往汉保
的德国ICE884次高速列车在运行至距汉诺威东北方向附近的小镇埃舍德时，发
生了第二次世界大战后德国最为惨重的列车脱轨行车事故。该列车由两辆机车
和12辆拖车组成，事故发生后12辆拖车全部脱轨。截止到6月17日，已有
100人死亡，88人重伤。
6月17日，联邦铁路局局长在德国听证会上公布了对事故发生过程的初步调查
结果：在列车运行距公路跨线桥约6公里时，第一节拖车的3轮对的轮箍发生
破裂，列车继续以200公里/小时的速度运行，轮箍断裂并拥塞在高速动轮的轮
对中，剧烈的摩擦发出刺耳的轰隆声，在距公路桥约300公里处，已断裂的轮
箍勾住了埃舍德车站的一组道岔，使拖车挑起、脱轨并与机车脱钩，脱轨的车
轮则落在相邻的线路上，列车继续运行120米后，脱轨的车轮被邻线的另一组
道岔改变了方向，突然猛烈地甩向右侧，第3节拖车尾部与桥墩猛烈冲撞，使
跨线桥部分坍塌坠落。驰过跨线桥的头部机车经紧急制动后运行约2公里停
车，没有脱轨；与头车分离的第1-3节拖车脱轨后停在桥后约300米处；第4-
5节拖车被坍塌的桥梁砸毁，后部第6-12节拖车以最大的惯性冲撞挤压在一
起，尾部机车几乎未受损坏。
该列车车轮系橡胶弹性车轮，轮箍是轧制的无缝钢圈，通过热效应压
在轮心上，轮心是铸钢轮体，轮箍与轮心间有一层橡胶体。轮箍轧制时若残留
气泡或矿碴，在高压负荷动力作用下，就可能开裂；也可能是由于轮箍材料老
化产生“疲劳断裂”所致。事故发生后，其余59列ICE型列车中止运营，并进
行了全面检查。44列ICE2列车的运营虽未受事故影响，但最高时速已降低到
160公里。
以上例子都足以说明了应力集中引起构件疲劳、断裂，造成的危害是非
常严重的，甚至影响着人们的生活安全。是个不容忽视的问题。
最后，让我们讨论一下现实中避免应力集中的一些方法。
1、包装结构设计中，应力集中避免与利用
为避免应力集中造成构件破坏，可采取消除尖角、改善构件外形、局部加强孔
边以及提高材料表面光洁度等措施；另外还可对材料表面作喷丸、辊压、氧化
等处理，以提高材料表面的疲劳强度。用ANSYS模拟钢筋混凝土梁两点对称加
载，集中荷载如何布置才能避免应力集中造成混凝土过早破坏！ 在加载点加一
个垫块。通过等效线荷载施加好像值得试试，不过线荷载分布长度不宜太大！
曲线预应力筋作用按照等效荷载作用替代，端头轴力按照实际锚具承压端板大
小划分一个面，在此面作用轴压力，可以解决集中力过大问题。 北京奥运会体