基于NASTRAN不同孔边距对孔边应力集中的影响

姚建成

摘要：为了研究不同孔边距的孔边应力集中情况，利用NASTRAN建立多组有限元模型，分析了不同孔边距情况下孔边的最大应力，给出了应力集中系数与孔边距之间的对应曲线，为结构设计和强度分析提供参考。

关键词：孔边距，应力集中，有限元

The influences of different hole margins on hole-edge stress concentration based on NASTRAN

Yao Jiancheng

ABSTRACTIn order to study the stress concentration of hole edge with different hole margins， NASTRAN was used to establish multiple finite element models， and the maximum stress of hole edge with different hole margins was analyzed. The corresponding curve between stress concentration coefficient and hole margins was given， providing reference for structural design and strength analysis.

Key words： hole margin， stress concentration， finite element

1 引言

在工程设计中，为满足实际需求，会对结构件进行开孔。孔边最小截面处是整个结构的危险截面，疲劳破坏常常起始于该处[1]，在进行结构疲劳分析时，确定分析部位的应力集中系数是必要的一项工作。在弹性力学中我们知道，无限大板宽的孔边应力集中系数为3[2]。在实际结构不会出现无限大孔边距，因此在结构强度设计中，不能简单的使用3倍平均应力对孔边结构强度进行校核。而在有限元建模过程中如果将孔全部仿真出来会对建模工作带来很大的困难。为方便强度计算，在有限元建模时可以忽略孔的存在，利用应力集中系数对孔边结构进行强度校核。因此本文对有限孔边距板的应力集中进行了分析和研究。

2 有限元计算

根据图1所示几何结构，针对d的不同取值建立不同的有限元模型。模型一端约束，另一端施加均布载荷，典型有限元模型示意图如图2。对应力集中分析，只要單元划分的足够细，具有很高的精度[3]。

3 有限元计算结果

应力计算云图如图3所示，不同孔边距应力集中系数见表1，应力集中系数——孔边距曲线见图4。

4 结论

本文对不同孔边距薄板进行了有限元应力分析，通过对计算结构的分析得到以下结论：

（1）随着孔边距的变大，孔边应力集中系数无限接近于3，与无限大平板孔边应力集中系数的理论值一致，说明有限元模型和应力分析结果是合理的。

（2）孔边距小于1.5D时，应力集中系数急剧增加，在结构设计中应保证孔边距不小于1.5D。

（3）按有限元计算结果得到的应力集中系数——孔边距曲线，可为带圆孔薄板结构的强度校核提供参考。

参考文献

[1] 姜杰凤，董辉跃，柯映林.高锁螺栓干涉连接中极限干涉量[J].机械工程学报，2013，49（3）：145-152.

[2] 徐芝纶. 弹性力学[M].北京：高等教育出版社，1982.

[3] 闫思江，曾显波，李凡国，陈春光.圆孔孔边的应力集中分析及优化[J].锻压装备与制造技术，2014，49（6）：68-70.