طراحی بر اساس مقادیر تمرکز تنش

طراحی بر اساس مقادیر تمرکز تنش:
وجود نواحی تمرکز تنش، احتمال رخ دادن شکست های حاصل از خستگی در هنگام اعمال بارهای تکراری را افزایش می دهد.

در این شرایط، ترک ها معمولاً در نواحی تمرکز تنش به وجود می آیند و با ادامه بارگذاری، درون ماده گسترش می یابند.

در صورت زیاد بودن تعداد چرخه های بارگذاری، حد خستگی برابر با تنش نهایی ماده در نظر گرفته می شود (شکل زیر). سپس، تنش مجاز از طریق محاسبه ضریب ایمنی (با استفاده از مقدار تنش نهایی) به دست می آید.

در نهایت، تنش ماکسیمم در ناحیه تمرکز تنش با مقدار تنش مجاز مقایسه می شود. در بسیاری از مواقع، استفاده از مقدار تئوری ضریب تمرکز تنش در محاسبات مناسب نیست؛ چراکه در آزمایش های خستگی، مواد معمولا در سطوح بالاتری از تنش اسمی می شکنند.

مقدار این تنش های اسمی از تنش های حاصل از تقسیم حد خستگی بر ضریب K بیشتر است. به عبارت دیگر، حساسیت سازه های تحت بارگذاری تکراری به تمرکز تنش به اندازه ای نیست که مقدار تئوری ضریب K نمایش می دهد.

به همین دلیل، معمولاً از یک ضریب تمرکز تنش کاهش یافته برای انجام طراحی ها استفاده می شود.

اثرات تمرکز تنش در انواع دیگر بارگذاری های دینامیک نظیر بارگذاری های ضربه ای نیز در نظر گرفته می شود.

در صورت عدم دسترسی به اطلاعات دقیق تر و بهتر، معمولاً مقدار تئوری ضریب تمرکز تنش برای انجام محاسبات در این نوع بارگذاری مورد استفاده قرار می گیرد.

در دماهای عملیاتی پایین، احتمال رخ دادن شکست در نواحی تمرکز تنش افزایش می یابد. از این رو، اتخاذ اقدامات پیشگیرانه در این شرایط بسیار ضروری است.

میزان اهمیت نواحی تمرکز تنش در شرایط بارگذاری استاتیک به نوع ماده تحت بارگذاری بستگی دارد. در مواد شکل پذیر (مانند فولاد) می توان از تأثیر تمرکز تنش بر روی رفتار ماده صرف نظر کرد.

دلیل این موضوع، تسلیم ماده، رخ دادن جریان پلاستیک و کاهش شدت تمرکز تنش در محل وجود تنش های ماکسیمم است.

این رفتار مواد شکل پذیر باعث یکنواخت تر شدن توزیع تنش در اطراف نواحی تمرکز تنش می شود.

از طرف دیگر، تمرکز تنش در مواد شکننده (مانند شیشه) تا لحظه شکست درون ماده باقی می ماند. بنابراین می توان نتیجه گرفت که در شرایط بارگذاری استاتیک، مسئله تمرکز تنش برای مواد شکل پذیر اهمیت چندانی ندارد اما برای مواد شکننده اهمیت این مسئله بسیار زیاد است.

از این رو، به منظور طراحی مواد شکننده برای عملکرد مناسب در شرایط بارگذاری استاتیک باید از مقدار تئوری ضریب تمرکز تنش استفاده کرد.

با تقسیم بندی صحیح و متناسب بخش های مختلف یک سازه می توان شدت تمرکز تنش درون آن را کاهش داد. استفاده از ماهیچه در طراحی قطعات، تمرکز تنش را کاهش می دهد.

سطوح صاف و صیقلی در محل وجود تنش های زیاد (مانند سطح داخلی حفره ها) از شکل گیری ترک ها جلوگیری می کنند.

روش های زیادی برای یکنواخت تر کردن توزیع تنش و کاهش ضریب تمرکز تنش درون اجزای مختلف سازه ها وجود دارد.

به کارگیری این روش ها در طراحی هواپیما، کشتی و ماشین ها بسیار مهم و ضروری است.

بسیاری از شکست های غیرمنتظره به دلیل عدم تشخیص نواحی تمرکز تنش و نواحی آسیب پذیر در برابر خستگی رخ می دهد.