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你可能見過這些日常畫面：
  • 一般PC板哪怕磕出一個(gè)小口，也可能迅速裂開；
  • 塑料產(chǎn)品的尖角處總是最容易斷裂；
  • 手機(jī)邊框接口和橋梁接縫為何極易成為險(xiǎn)情“重災(zāi)區(qū)”？
這些，都指向一個(gè)關(guān)鍵原理：應(yīng)力集中。

PART 01

什么是“應(yīng)力集中”？
當(dāng)結(jié)構(gòu)受力時(shí)，理想狀態(tài)下應(yīng)力應(yīng)均勻分布。但現(xiàn)實(shí)中，孔洞、銳角、不連續(xù)或材料缺陷等幾何瑕疵，會(huì)讓應(yīng)力“匯聚”在局部，遠(yuǎn)高于整體平均水平，這就是應(yīng)力集中?。
比如，一個(gè)簡(jiǎn)單拉伸板上的圓孔，會(huì)使局部應(yīng)力是其他區(qū)域的 3 倍左右 。工程中常用 應(yīng)力集中因子 K?來衡量局部增強(qiáng)程度 ：
K? = σmax/σnom
σmax?= 最大應(yīng)力
σnom= 總橫截面上施加的或名義的應(yīng)力
如何計(jì)算集中影因子：
可以通過使用各種公式和表格來完成，例如Roarke的壓力和應(yīng)變公式，或eFatigue.com等網(wǎng)站上的公式和表格。兩個(gè)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
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PART 02

為什么它危險(xiǎn)？
局部應(yīng)力驟增，是材料最容易出故障的“暗傷”點(diǎn)：
靜載荷下，局部過高應(yīng)力導(dǎo)致塑性變形或斷裂；
疲勞載荷下，裂紋往往在這些集中處萌生并擴(kuò)展，即便整體載荷不高也會(huì)失效 。
如果忽視應(yīng)力集中，零件性能可能下降 3 倍甚至更多。

PART 03

怎么化解“暗傷”？實(shí)用工程師必備策略
1、增大圓角與過渡區(qū)域
在內(nèi)部銳角處加入圓弧，使應(yīng)力流更順暢，大幅降低 K? 。
https://sendcutsend.com/blog/stress-concentrations/?srsltid=AfmBOoo9N0ctV2bZMDSd4t9Z3TH_uvXqhnUmPdJHsa8vbTB2sa1DawHh
2、增設(shè)緩沖孔
有時(shí)在主孔前后增設(shè)小孔可分散應(yīng)力，雖需謹(jǐn)慎使用，但在無仿真情況下為一種務(wù)實(shí)方法 。
3、引入仿真與實(shí)驗(yàn)工具
有限元分析（FEA）：預(yù)測(cè)復(fù)雜載荷結(jié)構(gòu)下的高應(yīng)力區(qū)域 ；
應(yīng)變片 / 光彈性實(shí)驗(yàn)：實(shí)測(cè)局部應(yīng)變點(diǎn)，更精確評(píng)估 K?。
4、材料與結(jié)構(gòu)選型優(yōu)化
采用高斷裂韌性材料、功能梯度材料（FGM）等，可以有效降低應(yīng)力集中帶來的失效風(fēng)險(xiǎn) 。
5、智能預(yù)測(cè)趨勢(shì)
引入 AI／神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法，預(yù)測(cè)應(yīng)力集中因子，大幅提升設(shè)計(jì)效率與精度 。

PART 04

怎么利用“應(yīng)力集中”？實(shí)用工程師必備策略
有時(shí)，設(shè)計(jì)人員可能希望引起應(yīng)力集中，以使組件故意斷裂。一些示例包括：
  • “機(jī)械保險(xiǎn)絲”，一種廉價(jià)的部件，以受控方式斷裂，而不是更昂貴的部件，例如剪切螺栓。
  • 無需切割工具即可現(xiàn)場(chǎng)拆卸的零件段 - 想想袋子上的穿孔或電氣接線盒上的敲出孔。

PART 05

小結(jié)：細(xì)節(jié)決定結(jié)構(gòu)生命力
結(jié)構(gòu)是否牢固，不在于整體強(qiáng)度，而在于“最弱一環(huán)”的設(shè)計(jì)。只要從以下幾方面入手：精心幾何過渡、合理孔位布局、專業(yè)緩沖設(shè)計(jì)、仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，甚至 AI 輔助預(yù)測(cè)，就能讓“小缺口”不再是“致命暗點(diǎn)”。

作者 808, ab

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