Reduzieren Sie die Stresskonzentration mit diesen Designtipps

Wenn Produktteams den Materialauswahlprozess durchlaufen, suchen sie unter anderem nach einem Material mit mechanischen Eigenschaften, die für die Endverwendung des endgültigen Teils geeignet sind. Dadurch wird sichergestellt, dass das Material nicht in Anwendungen verwendet wird, die über seine Streckgrenze hinausgehen. Trotzdem versagen manchmal sogar Teile aus dem richtigen Material – warum?

Ein Grund für das Versagen von Materialien ist die Spannungskonzentration, ein Konstruktionsfehler, der die strukturelle Integrität des Teils beeinträchtigt. Hier finden Sie alles, was Produktteams über Stresskonzentration wissen sollten, und wie Sie sie durch durchdachtes Design reduzieren können.

Was ist Stresskonzentration?

Eine Spannungskonzentration ist ein Punkt im Bauteildesign, an dem die Spannung deutlich höher ist als in der Umgebung. Spannungskonzentrationen werden am häufigsten durch eine abrupte Änderung der Teilegeometrie verursacht, typischerweise um scharfe Ecken, Löcher, Kerben oder Rillen herum.

Spannungskonzentrationen treten auch eher in Teilen mit komplexen oder anspruchsvollen Konstruktionen auf. Obwohl einzigartige geometrische Formen die Gesamtleistung des Teils verbessern können, verursachen sie auch gewundene Lastübertragungen und erhöhen die Wahrscheinlichkeit von Spannungskonzentrationen.

Der Spannungskonzentrationsfaktor, bezeichnet als K_t , kann als das Verhältnis der höchsten Spannung im Teil zur Referenzspannung definiert werden. Um die Spannungskonzentration mathematisch auszudrücken, lautet die Gleichung:

σ_max gleich der maximalen Spannung und σ_ref gleich der Referenzspannung. Ein Teil ohne jegliche Unregelmäßigkeiten hat einen Wert nahe eins, während ein Teil mit maximalen Unregelmäßigkeiten oder Unterbrechungen einen Wert größer als eins hat.

Wenn ein Teil Spannungskonzentrationen aufweist, ist es wahrscheinlicher, dass es auf zwei Arten versagt. Erstens neigt das Teil dazu, direkt aufgrund der Spannungskonzentration zu versagen, was typischerweise zu Rissen führt. Zweitens können Spannungskonzentrationen, selbst wenn das Teil keinen merklichen Bruch erleidet, den Produktlebenszyklus dramatisch verkürzen, indem sie das Teil im Laufe der Zeit schwächen.

4 Methoden zur Reduzierung der Stresskonzentration

Um die Langlebigkeit ihrer Teile zu gewährleisten und Brüche zu vermeiden, sollten Produktteams FEM-Modelle ausführen, um sicherzustellen, dass keine Belastungs- oder Belastungskonzentrationen auftreten. Hier sind vier Tipps, die alle Designer und Produktteams kennen sollten:

1. Beziehen Sie allmähliche Übergänge in das Design ein

Die häufigste Ursache für Spannungskonzentrationen ist eine abrupte Geometrieänderung oder ein abrupter Formübergang. Um dies zu berücksichtigen, sollten Designer bestimmte Designmaßnahmen wie Rundungsradien oder Verjüngungen verwenden, um den Übergang von einer Form zur anderen zu erleichtern. Das Glätten kritischer Bereiche des Teiledesigns beeinflusst den Spannungsfluss und verhindert, dass sich Spannungen an einer Stelle ansammeln.

2. Entlastungskerben verwenden

Konstrukteure können Spannungskonzentrationen auch verringern, indem sie Material in der Nähe von Kerben entfernen und eine zusätzliche Rille erzeugen, die als Entlastungskerbe bezeichnet wird. Obwohl Entlastungskerben dem Design ein wenig zusätzliche Geometrie verleihen, können Konstrukteure Entlastungskerben verwenden, um die Spannungslinien in einem Teil zu kontrollieren. Diese Eigenschaften können durch aufeinanderfolgende FAE-Analysen getestet und perfektioniert werden.

3. Entscheiden Sie sich für mehrere kleine Entlastungskerben im Gegensatz zu einer einzigen langen Kerbe

Wenn Löcher und Kerben unvermeidbar sind, verwenden Sie am besten viele kleine Entlastungskerben. Im Gegensatz zur vorherigen Technik, bei der eine einzelne Nut verwendet wird, um Unregelmäßigkeiten zu korrigieren, umfasst dieser Ansatz das Umgeben jeder absichtlichen Kerbe mit mehreren kleineren Kerben, um potenzielle Spannungskonzentrationen auszugleichen. Ingenieure können zusätzliches Material entfernen, um Miniaturkerben zu erstellen, während die ursprüngliche Kerbe beibehalten wird.

4. Vermeiden Sie scharfe Ecken

Scharfe Ecken sollten grundsätzlich vermieden werden, insbesondere bei der CNC-Bearbeitung von Innenteilgeometrien, aber Konstrukteure sollten sie auch vermeiden, wenn sie befürchten, Möglichkeiten für Spannungskonzentrationen zu schaffen. Wenn es das Muster zulässt, sollten Designer an scharfen Ecken immer einen Rundungsradius verwenden. Dieser Designfaktor stellt sicher, dass die Querschnittsfläche allmählich statt plötzlich abnimmt und die Spannung gleichmäßiger über das Teil verteilt.

Reduzieren Sie Stress mit Fast Radius

Spannungskonzentrationen, wenn sich an einem Punkt in der Konstruktion zu viel Spannung ansammelt, können die strukturelle Integrität eines Teils beeinträchtigen und dazu führen, dass es geschwächt wird oder vorzeitig bricht. Glücklicherweise können Produktteams Stresskonzentrationen verhindern, indem sie die oben genannten Designtipps und Workarounds in ihre Teiledesigns integrieren.

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