Concentración de tensiones, Causas, Prevención, Ejemplos, Factor de concentración de grietas, Cálculo del factor de concentración

Una concentración de tensión es una ubicación en un objeto donde se concentra la tensión. Un objeto es más fuerte cuando la fuerza se distribuye uniformemente sobre su superficie, por lo que una reducción en el área de, por ejemplo, causada por una grieta, se traduce en un aumento localizado en el estrés. Un material puede fallar, a través de una grieta que se propaga, cuando una tensión concentrada supera la resistencia cohesiva teórica del material. La resistencia a la rotura real de un material es siempre menor que el valor teórico, porque la mayoría de los materiales contienen pequeñas grietas o contaminantes que concentran el estrés. Las grietas por fatiga siempre comienzan en elevadores de la tensión, por lo que la eliminación de tales defectos aumenta la resistencia a la fatiga.

Causas

Discontinuidades geométricas causan un objeto de experimentar un aumento local de la intensidad de un campo de tensión. Ejemplos de formas que causan estas concentraciones son grietas, esquinas afiladas, huecos, y los cambios en el área de sección transversal del objeto. Altas tensiones locales pueden hacer que los objetos que fallan con mayor rapidez, por lo que los ingenieros deben diseñar la geometría para reducir al mínimo las concentraciones de esfuerzos.

Prevención

Un método contrario a la intuición de la reducción de uno de los peores tipos de concentraciones de esfuerzos, una grieta, es perforar un agujero grande en el extremo de la grieta. El agujero perforado, con su diámetro relativamente grande, provoca una concentración de tensión menor que el extremo afilado de una grieta. Sin embargo, esto es, una solución temporal que debe ser corregido en el primer tiempo oportuno.

Es importante revisar sistemáticamente las posibles concentraciones de tensión causados por las grietas, hay una longitud de grieta crítica de 2a para que, cuando se supera este valor, el producto de crack a una falla catastrófica definido. Este último fracaso es definitivo ya que la grieta se propaga por sí mismo una vez que la longitud es mayor que 2 bis. El origen del valor 2a se puede entender a través de la teoría de rotura frágil de Griffith.

Ejemplos

El término "elevador de esfuerzo" se utiliza en ortopedia; un punto de enfoque de la tensión en una ortesis implantado es muy probable que sea su punto de fallo.

Los casos clásicos de fallos de metal debido a las concentraciones de esfuerzos incluyen la fatiga del metal en las esquinas de las ventanas del avión Havilland Comet De quebradizos y fracturas en las esquinas de las escotillas de los buques de la libertad en condiciones de frío y estresante en las tormentas de invierno en el Océano Atlántico.

Factor de concentración de grietas

La tensión máxima se sentía cerca de una grieta ocurre en la zona del radio de curvatura más bajo. En una grieta elíptica de la longitud y la anchura, bajo una tensión externa aplicada, la tensión en los extremos de los ejes principales está dada por:

donde? es el radio de curvatura de la punta de la grieta. Un factor de concentración de tensiones es la relación de la más alta tensión a una tensión de referencia de la sección transversal bruta. A medida que el radio de curvatura de los enfoques de cero, la tensión máxima se aproxima a infinito. Tenga en cuenta que el factor de concentración de tensión es una función de la geometría de una grieta, y no de su tamaño. Estos factores se pueden encontrar en los materiales de referencia típicos de ingeniería para predecir las tensiones que de otro modo no podrían ser analizados utilizando la fuerza de los enfoques de materiales. Esto no debe ser confundido con el "Stress Factor de intensidad".

Cálculo del factor de concentración

Hay métodos experimentales para medir los factores de concentración de esfuerzos, incluyendo el análisis de tensión fotoelástico, revestimientos frágiles o medidores de tensión. Mientras que todos estos enfoques han tenido éxito, todos también tienen experimental, del medio ambiente, la exactitud y/o desventajas de medición.

Durante la fase de diseño, existen varios métodos para estimar los factores de concentración de esfuerzos. Varios catálogos de factores de concentración de esfuerzos se han publicado. Quizás el más famoso es el estrés concentración de diseño Factores de Peterson, publicado por primera vez en 1953. Métodos de elementos finitos se utilizan comúnmente en el diseño de hoy en día. Los enfoques teóricos, utilizando la elasticidad o la fuerza de las consideraciones materiales, pueden dar lugar a ecuaciones similares a la mostrada anteriormente.

Puede haber pequeñas diferencias entre el catálogo, FEM y los valores teóricos calculados. Cada método tiene ventajas y desventajas. Muchas curvas de catálogo se obtuvieron a partir de datos experimentales. FEM calcula el máximo hincapié directa y tensiones nominales se puede encontrar fácilmente mediante la integración de esfuerzos en el material circundante. El resultado es que los criterios de ingeniería puede tener que utilizar al seleccionar qué datos se aplica al tomar una decisión de diseño. Muchos factores de concentración de esfuerzos teóricos se han derivado para geometrías infinitas o semi-infinita que puede no ser analizable y no son comprobables en un laboratorio de estrés, pero abordar un problema el uso de dos o más de estos enfoques permitirá a un ingeniero para alcanzar una conclusión exacta.