Stres konsantrasyonu - Stress concentration

İç kuvvet çizgileri deliğin yakınında daha yoğundur

Bir stres konsantrasyonu ( stres yükseltici veya stres yükseltici olarak da adlandırılır ), bir nesnede stresin çevreleyen bölgeden önemli ölçüde daha büyük olduğu bir konumdur . Gerilme konsantrasyonları, bir yapısal bileşenin geometrisinde veya malzemesinde, gerilme akışında kesintiye neden olan düzensizlikler olduğunda meydana gelir. Bu, delikler , oluklar , çentikler ve filetolar gibi ayrıntılardan kaynaklanmaktadır . Gerilme konsantrasyonları, çentikler ve çizikler gibi kazara hasarlardan da oluşabilir.

Tipik çekme yükleri altında bir süreksizliğin konsantrasyon derecesi , en yüksek gerilimin nominal uzak alan gerilimine oranı olan boyutsuz bir gerilim konsantrasyon faktörü olarak ifade edilebilir . Sonsuz bir plakadaki dairesel bir delik için, . Gerilme konsantrasyonu faktörü , bir çatlağın, çatlak ucunun etrafındaki bölgedeki gerilmeler üzerindeki etkisini tanımlamak için kullanılan gerilme yoğunluğu faktörü ile karıştırılmamalıdır . ${\görüntüleme stili K_{t}}$${\displaystyle K_{t}=3}$

Sünek malzemeler için, büyük yükler, tipik olarak ilk önce gerilimin yeniden dağılımına izin veren ve bileşenin yük taşımaya devam etmesini sağlayan bir gerilim konsantrasyonunda meydana gelecek olan lokalize plastik deformasyona veya akmaya neden olabilir . Gevrek malzemeler tipik olarak stres konsantrasyonunda başarısız olur. Bununla birlikte, tekrarlanan düşük seviyeli yükleme, bir yorulma çatlağının başlamasına ve sünek malzemelerin bile başarısız olmasına yol açan bir stres konsantrasyonunda yavaş yavaş büyümesine neden olabilir . Yorulma çatlakları her zaman stres yükselticilerde başlar, bu nedenle bu tür kusurların giderilmesi yorulma mukavemetini arttırır .

Açıklama

Gerilme konsantrasyonları, bir yapısal bileşenin geometrisinde veya malzemesinde, gerilme akışında kesintiye neden olan düzensizlikler olduğunda meydana gelir.

Geometrik süreksizlikler, bir nesnenin streste yerel bir artış yaşamasına neden olur. Gerilme yoğunlaşmasına neden olan şekil örnekleri, keskin iç köşeler, delikler ve nesnenin kesit alanındaki ani değişikliklerin yanı sıra çentikler, çizikler ve çatlaklar gibi kasıtsız hasarlardır. Yüksek yerel gerilimler nesnelerin daha hızlı arızalanmasına neden olabilir, bu nedenle mühendisler genellikle geometriyi gerilim konsantrasyonlarını en aza indirecek şekilde tasarlar.

Metallerdeki inklüzyonlar gibi malzeme süreksizlikleri de stresi yoğunlaştırabilir. Bir bileşenin yüzeyindeki kalıntılar, üretim sırasında işleme sırasında kırılabilir ve bu da hizmette döngüsel yüklemeden kaynaklanan mikro çatlaklara neden olabilir. Dahili olarak, yükleme sırasında inklüzyonların etrafındaki arayüzlerin arızalanması, mikro boşluk birleşmesiyle statik arızaya neden olabilir .

Stres konsantrasyonu faktörü

Stres konsantrasyon faktörü , en yüksek gerilmeye oranı olan nominal gerilime brüt enine kesit olarak tanımlanan ${\görüntüleme stili K_{t}}$${\displaystyle \sigma _{\max }}$${\displaystyle \sigma _{\metin{nom}}}$

${\displaystyle K_{t}={\frac {\sigma _{\max }}{\sigma _{\text{nom}}}}}$

Boyutsuz gerilim konsantrasyon faktörünün, geometri şeklinin bir fonksiyonu olduğuna ve boyutundan bağımsız olduğuna dikkat edin. Bu faktörler, tipik mühendislik referans malzemelerinde bulunabilir.

E. Kirsch , bir delik etrafındaki elastik gerilme dağılımı için denklemleri türetmiştir . Bir delik veya çentik yakınında hissedilen maksimum gerilme , eğriliğin en düşük yarıçaplı alanında meydana gelir . Nominal veya uzak alan gerilimi altında uzunluk ve genişlikte eliptik bir delikte , ana eksenlerin uçlarındaki gerilim Inglis denklemi ile verilir: ${\görüntüleme stili 2a}$${\görüntüleme stili 2b}$${\displaystyle \sigma _{\metin{nom}}}$

${\displaystyle \sigma _{\max }=\sigma _{\text{nom}}\left(1+2{\cfrac {a}{b}}\sağ)=\sigma \left(1+2{ \sqrt {\cfrac {a}{\rho }}}\sağ)}$

eliptik deliğin eğrilik yarıçapı nerede . Gerilim konsantrasyon faktörünün olduğu sonsuz bir plakadaki dairesel delikler için . ${\görüntüleme stili \rho }$${\görüntüleme stili a=b}$${\displaystyle K_{t}=3}$

Keskin bir çatlağın ucunda olduğu gibi, eğrilik yarıçapı sıfıra yaklaştığında, maksimum gerilim sonsuza yaklaşır ve bu nedenle bir çatlak için bir gerilim konsantrasyon faktörü kullanılamaz. Bunun yerine, bir çatlak ucu etrafındaki gerilim alanının ölçeklenmesini tanımlayan gerilim yoğunluğu faktörü kullanılır.

Faktörleri belirleme yöntemleri

Fotoelastik stres analizi , termoelastik stres analizi, kırılgan kaplamalar veya gerinim ölçerler dahil olmak üzere stres konsantrasyon faktörlerini ölçmek için deneysel yöntemler vardır .

Tasarım aşamasında, stres konsantrasyon faktörlerini tahmin etmek için birden fazla yaklaşım vardır. Stres konsantrasyon faktörlerinin çeşitli katalogları yayınlanmıştır. Belki de en ünlüsü, Peterson tarafından ilk kez 1953'te yayınlanan Gerilme Konsantrasyonu Tasarım Faktörleri'dir . Günümüzde tasarımda yaygın olarak sonlu eleman yöntemleri kullanılmaktadır.

Stres konsantrasyonlarının etkilerini sınırlamak

Çatlak ucu köreltme olarak bilinen, stres konsantrasyonlarının, bir en kötü türlerinden birini azaltmak için bir zıt-sezgisel yöntem çatlak , için matkap çatlak ucunda büyük bir delik. Nispeten büyük boyutu ile delinmiş delik, etkili çatlak ucu yarıçapını arttırmaya ve böylece stres konsantrasyonunu azaltmaya hizmet eder.

Gerilme konsantrasyonunu azaltmak için kullanılan diğer bir yöntem, iç köşelere bir fileto eklemektir. Bu, stres konsantrasyonunu azaltır ve stres akış çizgilerinin daha düzgün akışına neden olur.

Dişli bir bileşende, kuvvet akış hattı, şaft kısmından dişli kısma geçerken bükülür; sonuç olarak, stres konsantrasyonu gerçekleşir. Bunu azaltmak için, şaft ve dişli kısımlar arasında küçük bir alt kesim yapılır.

Örnekler

Tuğladaki keskin köşe, betonun çatlamasına neden olan bir gerilim yoğunlaştırıcı görevi gördü.

• De Havilland Comet uçakları sonunda nedeniyle olduğu tespit edildi feci başarısızlık bir dizi yaşadı yorgunluk (bazen pencere olarak anılacaktır) otomatik yön bulucu kesikler etrafında delinmiş perçin deliklerinin kullanımından kaynaklanan yüksek stres konsantrasyonuna büyüyen çatlaklar. Kare yolcu pencerelerinin de beklenenden daha yüksek stres konsantrasyonlarına sahip olduğu tespit edildi ve yeniden tasarlandı.
• Atlantik Okyanusu'ndaki kış fırtınalarında soğuk ve stresli koşullarda Liberty gemilerinde ambar köşelerinde kırılgan kırıklar .

Bu ortez , bir kırıktan sonra femuru desteklemek için implante edilir , ancak kıvrımındaki stres konsantrasyonu, yük altında kırılma olasılığını artırır.

• İmplante edilmiş bir ortezin metalin kemikle buluştuğu bir implantın kenarlarındaki stresin odak noktası, başarısızlık noktası olması muhtemeldir.

Referanslar

Dış bağlantılar

• Metal Bizi Düşürdüğünde