Уменьшите концентрацию напряжений с помощью этих советов по проектированию

Когда команды разработчиков проходят процесс выбора материала, они ищут, среди прочего, материал с механическими свойствами, подходящими для конечного использования конечной детали. Это гарантирует, что материал не будет использоваться в приложениях, выходящих за рамки его предела текучести. Тем не менее, даже детали, сделанные из правильного материала, иногда выходят из строя — почему?

Одна из причин, по которой материалы выходят из строя, связана с концентрацией напряжений, конструктивным недостатком, который ставит под угрозу структурную целостность детали. Вот все, что должны знать разработчики продуктов о концентрации стресса, а также о том, как уменьшить его с помощью продуманного дизайна.

Что такое концентрация стресса?

Концентрация напряжений — это точка в конструкции детали, где напряжение значительно выше, чем в окружающей области. Концентрация напряжения чаще всего возникает из-за резкого изменения геометрии детали, как правило, вокруг острых углов, отверстий, выемок или канавок.

Концентрации напряжений также более вероятны в деталях со сложной или сложной конструкцией. Несмотря на то, что уникальные геометрические формы могут повысить общую производительность детали, они также вызывают извилистую передачу нагрузки и повышают вероятность концентрации напряжений.

Коэффициент концентрации напряжения, обозначаемый K_t , можно определить как отношение наибольшего напряжения в детали к эталонному напряжению. Чтобы выразить концентрацию напряжения математически, уравнение выглядит следующим образом:

σ_макс. равно максимальному напряжению и σ_ref равно эталонному напряжению. Деталь без каких-либо неровностей имеет значение, близкое к единице, в то время как часть с максимальным количеством неровностей или разрывов имеет значение больше единицы.

Когда деталь имеет концентрацию напряжений, она, скорее всего, выйдет из строя по двум причинам. Во-первых, деталь имеет тенденцию разрушаться непосредственно из-за концентрации напряжений, что обычно приводит к трещинам. Во-вторых, даже если на детали нет заметных трещин, концентрация напряжений может значительно сократить жизненный цикл изделия, поскольку со временем деталь ослабевает.

4 метода снижения концентрации стресса

Чтобы обеспечить долговечность своих деталей и предотвратить поломки, группы разработчиков должны запускать модели FEA, чтобы убедиться в отсутствии концентрации напряжений или деформаций. Вот четыре совета, которые должны знать все дизайнеры и команды разработчиков:

1. Включите постепенные переходы в дизайн

Наиболее распространенной причиной концентрации напряжений является резкое изменение геометрии или резкий переход формы. Чтобы учесть это, дизайнеры должны использовать специальные меры проектирования, такие как радиусы скругления или конусности, чтобы облегчить переход от одной формы к другой. Сглаживание критических областей конструкции детали влияет на поток напряжения и предотвращает накопление напряжения в одном месте.

2. Используйте рельефные насечки

Конструкторы также могут снизить концентрацию напряжений, удалив материал рядом с выемками, создав дополнительную канавку, называемую рельефной выемкой. Несмотря на то, что рельефные выемки добавляют конструкции некоторую дополнительную геометрию, конструкторы могут использовать рельефные выемки для управления линиями напряжения в детали. Эти функции можно тестировать и совершенствовать с помощью последовательных анализов FAE.

3. Выбирайте несколько небольших рельефных насечек вместо одной длинной

В случаях, когда отверстия и выемки неизбежны, лучше всего использовать множество небольших рельефных выемок. В отличие от предыдущего метода, когда для исправления любых неровностей используется одна канавка, этот подход включает окружение каждой преднамеренной выемки несколькими меньшими выемками для сглаживания потенциальных концентраций напряжений. Инженеры могут удалить дополнительный материал, чтобы создать миниатюрные вырезы, сохранив исходный вырез.

4. Избегайте острых углов

Следует избегать острых углов, особенно при обработке внутренней геометрии деталей с ЧПУ, но конструкторы также должны избегать их, если они обеспокоены созданием возможностей для концентрации напряжений. Если шаблон позволяет это, дизайнеры всегда должны использовать радиус скругления на острых углах. Этот конструктивный фактор обеспечивает постепенное, а не резкое уменьшение площади поперечного сечения, и более равномерно распределяет нагрузку по всей детали.

Уменьшите стресс с помощью Fast Radius

Концентрация напряжений, когда в одной точке конструкции накапливается слишком много напряжения, может нарушить структурную целостность детали и привести к ее преждевременному ослаблению или поломке. К счастью, разработчики продуктов могут предотвратить концентрацию стресса, включив вышеупомянутые советы по проектированию и обходные пути в свои проекты деталей.

Глобальный производственный партнер, такой как Fast Radius, может помочь командам разработчиков оптимизировать свои конструкции, чтобы снизить концентрацию напряжений и вывести свои детали на новый уровень функциональности и эстетики. Наша команда опытных дизайнеров, инженеров и механиков имеет доступ к новейшим доступным технологиям проектирования и располагает многолетним опытом, помогая командам совершенствовать свои конструкции для достижения оптимальной производительности. Свяжитесь с нами сегодня — давайте сделаем новые вещи возможными.

Чтобы получить больше уроков по дизайну и узнать об основных принципах создания чистых и функциональных деталей, посетите учебный центр Fast Radius.