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日志

应力集中与应力奇异(转载)

已有 1188 次阅读2017-3-26 15:18|个人分类:有限元

应力集中是在机械制造、航空航天、造船和建筑等工程应用领域中最常见的问题,指构件中应力分布不均在局部增高的现象。

开有圆孔或切口的板条受拉时,在圆孔或切口附近的局部区域,应力将急剧增加,但在离开圆孔或切口稍远处,应力就迅速降低而趋于均匀。这种因杆件外形突然变化,而引起局部应力急剧增大的现象称为应力集中。
各种材料对应力集中的敏感程度不同。用塑性材料制成的零件在静载荷作用下,可以不考虑应力集中的影响。(塑性材料有屈服阶段,当局部应力达到屈服极限时,该处材料可继续增长,而应力确不增加。如果外力继续增加,增加的力就有截面上尚未达到屈服极限的材料来承担,使截面上其他点的应力相继达到屈服极限。应力不均匀程度大大降低,也限制了最大应力值)

脆性材料没有屈服阶段,一直领先,首先达到强度极限,产生断裂。所以要考虑应力集中对零件承载能力的削弱。
但是零件承受周期性载荷或冲击载荷时,不论塑性材料还是脆性材料,应力集中对零件都会产生严重的影响。
(以上内容来自材料力学)


继续:
高人的见解:应力集中是指的在某一个区域内应力梯度较大,如果网格稀疏的话,就不会捕捉到梯度变化较大的应力。有应力集中未必会是应力奇异。比如二维平面单元中间开有园孔,另一端受拉伸集度载荷,这样园孔处有两部分会发生应力集中。但是应力并不是无穷,即不存在应力奇异。但是应力奇异的地方一定存在应力集中。应力奇异是modelling过程造成的。我们知道实际问题中,奇异点处的应力不可能是无穷的。
应力奇异可以来自与很多因素,比如荷载,边界条件,边界的光滑性,材料系数的光滑性,等等。奇异点的存在导致有限元解的收敛速度很慢,尤其对于均匀划分的网格。有兴趣的可以试一下L形的平面问题,检查一下均匀划分网格情况下应变能的变化。使用局部细化或hp方法的原因是因为这两种方法能使有限元解较快的收敛。但是注意应力奇异点是不能够消除的。你的模型固定了,你的奇异点也固定了,通过计算是消除不掉的,计算是一个用估计解逼近一个真实解(精确解),精确解本身带有奇异点,怎么能够消除呢?所以尝试消除应力奇异点的做法是错误的。如果想消除应力奇异点,你的modelling过程就需要改变。比如二维平面单元,在某一节点处加集中力,那么此处就是一个奇异点。要消除它的话,可以把集中力变成集度线载荷加到一段长度很小的线上,奇异点就没有了。

奇异点的定义就是在某一个点处导数无穷。举一个L形区域的平面问题,某一个边固定,在另外的任意边上加无穷小的集度荷载,我们会发现无论荷载多么小,角点处的应力都是无穷。这就是几何形状引起的奇异点。
现在问题来了,一方面我们知道角点处的应力无穷,另一方面我们知道对于很小的荷载,角点处的应力不可能是无穷的。问题出在什么地方呢?

首先数学模型都是建立在一些假设上的,比如对于一个二维平面问题,平衡方程为 div(sigma) =f。这个平衡方程是这么定义的呢?它是指在平面内(不包括边界)任取一点,这个点的邻域内的任意点都满足该平衡方程(邻域不接触边界)。从平衡方程中可以看出,我们是要求位移的二阶倒数是连续的,这个要求有的时候很强。因为说不定某处的二阶倒数根本不存在。对于L形区域问题,我们只知道区域内的位移的二阶倒数是存在的,连续的。角点在边界上,我们不知道二阶导数的情况。有可能该点处的二阶倒数,或一阶倒数根本不存在。通过实际推倒我们可以发现,角点处的一阶导数无穷。
有限元是用来解偏微分方程的工具。偏微分方程对导数的连续性是有要求的。但是有限元能够弱化对导数的要求,比如有限元要求一阶导数平方可积就行。所以有限元解可能比偏微分方程反映实际要解决的问题.

Tonnw:这个问题单元并不奇异,是几何结构奇异,在角点有高应力,但不一定无穷大,应力值取决于载何大小(不同意,角点处应力无穷,角点附近的应力与载荷大小无关。)
1.应力理论趋于无穷大不代表实际应力值无穷大.最大实际应力不会超过材料的屈服应力,当线性应力超过屈服应力时,应起动塑性应力分析.(假设载荷无穷小,但是奇异点处的应力还是无穷大,难道还要启动塑性应力分析。)
3.在单元形态不奇异下,细网格的应力更精确些,也就是更接近实际应力(应该是更接近精确解,即所要求解的偏微分方程的精确解).
但细网格需更多的CPU时间和内存.所以当前后两次网格的结果变化在可接受的范围内(这个可接受范围怎么定?,两次结果变化指的是什么,某一点数值的变化?)

奇异点处,解析解是无穷大,与modeling等有关不能消除。有限元解,会逼近解析解,趋于无穷,然而实际中,真实的应力值是一个大值,应该与所加载荷有关具体,如何得到真实的应力值,不太清楚,请继续探讨这个问题!

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