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什么是应力集中,为什么会有这个现象,这个概念适用范围有多广?
应力,原子,不连续什么是应力集中,为什么会有这个现象,这个概念适用范围有多广?
发布时间:2016-12-08加入收藏来源:互联网点击:
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应力集中是材料在外力作用下,宏观上(相对于原子或分子之间的作用力)的抗外力的集体表现,是不同结构在同样外力下比较的结果;在原来的结构下本来由很多原子共同来对抗外力,但改成有应力集中的形状后,能参与对抗外力的原子数量变少了,外力就集中到剩下的结构上了,就"集中"了。可以把"应力"理解为应付外部力量的原子键力的集合,能参与抗拒外力的原子键越少,每个原子键要承受的外力就越多,外力集中起来对付它们来,它们就很辛苦了,就容易扛不住了,材料在应力集中处"断裂"就是原子键们扛不住的宏观表现了。
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"断裂"通常在材料变形的截面处,比如台阶型的细端与粗端截面的细端边缘。比较一下粗细段界面上对称中心轴线处原子与细端边缘处原子,它们受力的情况是不同的,中心处原子在界面左右方向上的受力是对称的,边缘处则不对称,这应该是宏观的"断裂"从台阶型边缘开始的微观原因。
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这样,在原有的外力被少量的原子键扛的情况下(每个原子键的平均受力更多了),靠近变形处(台阶边缘或开孔附近)的原子键会受力更多(比平均值的提高还要高),这是"应力集中"的第二层意思。这个"受力不均"更接近通常讲的"应力集中"的意思。只是通常不谈平均应力提高的事,也不解释原子键的多少和不同位置的原子受力情况与"应力集中"的对应关系。其实,在3D 机械作图里的应力分析,其应力分布计算就是根据不同位置微观受力不同来做的,当然没有微观到原子的级别,是一种"有限元(也含有很多原子了)"的算法。
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按这样的微观观点,就比较容易理解如果把一个"大洞"改为总面积相同的很多小孔的话,镂空的面积相等,但应力集中可以缓解很多。为啥?你看,本来一排人一起扛压力,现在队伍里有人跑了,但若是隔开集几个人跑一个,空位处的压力就由左右留下的人分担了。但若几个人集中在一起跑,这好几个人该扛的压力就由空位左右的人最多负担了,造成剩下的人负担很很不均匀了,就最容易在这些位置先扛不住了。
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