應力集中

概念定義

應力集中（Stress concentration）係物體內部應力喺局部位置明顯增高嘅現象，屬於彈性力學問題。呢種現象通常出現喺形狀急劇改變或者受到剛性約束嘅位置，例如缺口、孔洞、溝槽同約束部位。物體承受載荷時，呢啲位置嘅應力分佈較唔均勻，局部應力可以高於周圍區域。

工作原理

構件外形連續而平順時，載荷引起嘅應力可以較均勻噉分佈；當受力路徑遇到孔洞、缺口或溝槽等幾何突變，孔邊、缺口根部等局部區域就會形成較高應力。應力最高位置嘅數值稱為峰值應力，其大小同物體嘅幾何形狀及載荷施加方式有關。

局部增高嘅應力並唔會平均分佈喺整個物體。由峰值應力所在位置向外移動，應力增量會隨距離增加而迅速衰減，所以應力集中主要影響幾何突變附近。以孔洞為例，孔邊緣係容易出現應力集中嘅位置，受力後可能形成微細裂痕，並進一步發展成開裂。

按照彈性力學計算所得嘅理論峰值應力，有時會超過材料嘅屈服極限。局部材料發生屈服後，原有應力會重新分配，因此實際峰值應力往往低過純彈性計算所得嘅理論峰值。呢種重新分配改變局部應力狀態，但應力集中位置仍然係裂紋較容易產生嘅區域。

影響因素與技術構成

應力集中問題包括幾何突變位置、載荷方式、峰值應力同周圍應力分佈等要素。缺口、孔洞及溝槽會改變物體嘅連續外形；剛性約束則會限制局部變形。幾何形狀同加載方式共同影響峰值應力，而峰值位置同相鄰區域之間會形成快速變化嘅應力梯度。

應用場景與影響

應力集中分析適用於帶有孔洞、缺口、溝槽或者剛性約束嘅受力零件。喺含孔構件中，孔邊係重點觀察區域；喺帶缺口或溝槽嘅構件中，形狀急變位置亦係局部高應力區。應力集中可以令物體產生疲勞裂紋，亦可以令脆性材料製成嘅零件喺靜載荷下斷裂。因此，判斷峰值應力位置、幾何突變形式同載荷方式，係分析裂紋起始及零件開裂風險嘅核心內容。