首先統(tǒng)一兩個概念：應力和應力集中。
所謂應力，就是部件在外力作用下發(fā)生變形，部件內(nèi)部由于變形，各部分發(fā)生位置的相對變化，從而引起內(nèi)部產(chǎn)生相互作用力，這個相互作用力，就是內(nèi)力。雖然我們知道，部件不受外力的時候，內(nèi)部各個點之間也有相互吸引和互斥的力，但是這里的內(nèi)力，指的是外力作用下引起的內(nèi)部作用力，是附加內(nèi)力。而應力，則是內(nèi)力在截面積上的分布，是內(nèi)力分布程度的度量。同時外力的涵義也可以進行延伸，不僅僅是傳統(tǒng)意義上的力，甚至是溫度變化也可能等效于外力作用，所引起的內(nèi)力就稱為熱應力。
所謂應力集中，就是外力作用產(chǎn)生的內(nèi)力，在部件內(nèi)部分布產(chǎn)生了聚集。本來對于均勻材質(zhì)的部件，應力是在截面上均勻分布的（下圖a）。但是如果部件有一個小孔（下圖b），本來均勻分布在截面上的應力，聚集在小孔周圍。這種現(xiàn)象叫應力集中。距離小孔越近，應力集中度越高，，距離小孔越遠，應力集中度越低。這種應力的分布不均勻，會造成應力集中的部位，較早的觸及材料強度的極限。作為木桶上最短的一塊木板，應力集中區(qū)域在外力還不算太大的時候產(chǎn)生破壞。
研究應力集中現(xiàn)象，是為了避免應力集中，或者是將應力集中對部件的破壞效應降低到最低。內(nèi)容就是，研究各種因素對應力集中的程度，會有什么樣的影響。不過在這之前，要對應力集中的程度進行一個定義。
應力集中的程度
應力集中地程度可以用應力集中系數(shù)來表示。
現(xiàn)在閉上眼睛，思考應力和應力集中的定義。應力是作為外力的響應，從而在部件內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)力，它的大小跟外力有關(guān)，外力越大，變形越大，產(chǎn)生的應力也就越大。而應力跟截面積也有關(guān)系，截面積越大，單位面積上的內(nèi)力就越小，應力也越小。為了使部件達到平衡，截面積上的應力之和，應該等于外力，方向與外力方向相反。
也就是說，在相同的外力下，應力的總和是相同的。應力集中只是是改變了應力的分布，靠近小孔的區(qū)域應力高于平均值，那么遠離小孔的區(qū)域應力就會低于平均值，最終之和是固定的。只不過在各個區(qū)域，應力的分布有了差異。
所以應力集中系數(shù)，應該反映應力分布差異的大小。如果已經(jīng)理解了上面的文字，那么寫下下面的公式，相信就不難理解了。這里的σ∞是遠離小孔處的應力，σmax為小孔附近最大應力數(shù)值。而d為小孔半徑，B為含有小孔的部件寬度，他們的比值越小，應力集中系數(shù)越大。
不同開口尺寸的應力分布
部件內(nèi)小孔的尺寸會顯著影響應力集中系數(shù)。使得應力集中區(qū)域的應力分布隨著開口尺寸相對構(gòu)件尺寸的增大具有不同的變化規(guī)律。這造成復合材料對缺口的敏感性取決于孔的尺寸。
鋪層對應力集中的影響
碳纖維復合材料鋪層情況對應力集中的程度有著不同的影響。下圖給出了不同鋪層情況下的應力集中情況。基本結(jié)論就是：0°鋪層越多，應力集中越嚴重，±45°鋪層起到降低應力集中的作用。
事實上，帶缺口層合板的拉伸強度與鋪層關(guān)系相當復雜。由于缺口尖端的層劈裂和分層等損傷形態(tài)的組合，會降低應力集中，從而提高層合板的剩余強度。
應力集中對碳纖維復合材料靜強度的影響
碳纖維復合材料與金屬材料變現(xiàn)的性能差異比較大。對于金屬材料來講，應力集中達到屈服強度時，會產(chǎn)生松弛現(xiàn)象，可以緩解應力集中。而碳纖維復合材料屬于脆性材料，幾乎不存在塑性變形，所以不會產(chǎn)生局部松弛現(xiàn)象緩解應力集中。所以，一旦應急集中達到極限強度時，就會使纖維斷裂。因此，應力集中會對碳纖維復合材料強度造成顯著的降低作用。
所以，碳纖維復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，應注意產(chǎn)生應力集中的細節(jié)，避免出現(xiàn)尖銳的變形。如果有變形，應該進行緩慢過度，或者增加倒圓角，緩解應力集中。
在靜強度驗證中，應力集中是一個值得特別注意的地方，所有進行形狀變換和打孔的地方，都要進行應力集中分析，避免這些細節(jié)產(chǎn)生嚴重的安全問題。
參考資料：
《復合材料飛機結(jié)構(gòu)合格審定》 馮振宇
復合材料機械連接層合板孔邊應力集中研究 鄭潔
復合材料板孔邊應力場的有限元分析 李成
復合材料結(jié)構(gòu)干涉研究 廖海浪
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