缓解应力集中：打造稳健材料的四大经验设计策略
产品团队在选材时，除其他考量外，还寻找适合成品最终用途力学性能的材料，确保材料不超屈服强度使用。但即使用对材料，零件仍可能失效——为什么？
原因之一是应力集中，一种损害零件结构完整性的设计缺陷。以下是产品团队应了解的应力集中知识，以及如何通过周全设计降低它。
什么是应力集中？
应力集中是指零件设计中应力显著高于周围区域的点。最常见原因是零件几何形状突变，通常发生在尖角、孔、缺口、槽周围。
复杂或精巧设计的零件更易产生应力集中。虽独特几何形状可提升整体性能，但也导致扭曲载荷传递，增加应力集中可能性。
应力集中因子记为Kt，定义为零件最高应力与参考应力之比。数学表达为：
σmax为最大应力，σref为参考应力。无不规则零件值接近1，最大不规则或不连续零件值大于1。
有应力集中的零件以两种方式更易失效。一是直接从应力集中处失效，通常导致裂纹。二是即使无明显断裂，应力集中也可能随时间削弱零件，大幅缩短产品生命周期。
降低应力集中的四大方法
为确保零件寿命防止断裂，产品团队应运行FEA模型确保无应力或应变集中。以下四大技巧所有设计师和产品团队必知：
1. 设计中引入渐变过渡
应力集中最常见原因是几何突变或形状突变过渡。设计师应用倒圆半径或锥度等特定设计措施缓和形状间过渡。平滑零件设计关键区域影响应力流动，防止应力单点累积。
2. 使用卸载槽
设计师也可通过移除缺口附近材料、创建称为卸载槽的额外槽来缓解应力集中。虽卸载槽增加些许几何特征，但可用其控制零件应力流向。这些特征可通过连续FEA分析测试完善。
3. 多个小卸载槽优于单个长槽
孔和缺口不可避免时，最好用多个小卸载槽。与前一技术用单槽修正不规则不同，此法在每个有意缺口周围环绕多个微小槽以平滑潜在应力集中。工程师可移除额外材料创建微型槽同时保留原缺口。
4. 避免尖角
一般原则上应避免尖角，尤其CNC加工内部几何时，担心应力集中时也应避免。若图案允许，尖角处始终应用倒圆半径。此设计因子确保截面积渐变而非突变，使应力在零件中更均匀分布。
与Fast Radius共同降低应力
应力集中——过多应力在设计一点累积——会损害零件结构完整性，导致过早弱化或断裂。幸好，产品团队可通过融入上述设计技巧和变通方案预防应力集中。
像Fast Radius这样的全球制造合作伙伴能帮助产品团队优化设计降低应力集中，将零件功能性和美学推向新高度。我们的资深设计师、工程师、机加工师团队拥有最新设计技术和数十年助力团队完善设计以达最优性能的经验。立即联系我们——共创可能。
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