前面的分析表明,在尺寸突变处,如果没有采用圆角过渡,会导致有限元分析中应力无限增大。
实际上,在结构设计中,为了降低应力集中因素,有一些基本的设计法则,简述如下:
1.修改形状
(1)圆角
在构件中绝对禁止出现尖锐转角。因为由理论分析可知,当圆角的曲率半径趋向零时,其应力集中系数趋向无穷大。用圆角代替尖锐转角,能有效缓和应力集中。下面是工程上应用圆角的例子。
(2)流线型
对于变截面的受拉杆件或受压杆件,如果采用流线型过渡,可以使得构件应力均匀,从而避免应力集中。
(3)椭圆孔
在保证构件正常工作的前提下,把圆孔变成椭圆孔,往往能提高构件的强度。
2.适当选择应力集中因素的位置
(1)应力集中因素应该选择在应力低的部位
图(a)中,不要把孔放在弯矩最大的截面上;图(b)中,不要把孔放在靠近边缘的地方。
(2)要考虑是否有母体之间发生相互干涉,导致应力上升
随着孔距离边沿越来越近,应力集中会加剧。
3.适当选择应力集中因素的方向
如下图,三种长孔的情况,最底下一种应力集中系数最大,尽量不要采用这种方式。而最上面的情况则应力集中系数最小。
4.附加应力集中因素
如下图,在左边的结构上进行改进,右边的结构增加了一个孔,其应力集中系数反而降低。
5.表面削去法
如下图,在孔的上下两边挖去一定厚度的材料,会降低这部分的刚度,以达到缓和应力集中的目的。这些图中,最后一种情况应力集中系数最小。
6.填充法
在圆孔内插入一根棒,也可以降低圆孔处的应力集中。