1. 定义
结构应力集中是指在结构构件的形状、尺寸发生突变的部位，如孔洞、缺口、沟槽以及有刚性约束处等，应力的分布不再均匀，局部区域的应力显著增大的现象。例如，在一块带有圆孔的平板受到拉伸载荷时，圆孔周边的应力会远高于平板其他部位的应力，这个圆孔周边就是应力集中区域。
2. 产生原因
几何形状突变：当结构的几何形状突然改变时，如从粗轴过渡到细轴的轴肩处。根据圣维南原理，力的作用在局部区域会产生应力的扰动。以一个有台阶的轴为例，在轴肩处由于直径的突然变化，导致应力流线在这个部位发生弯曲和密集，从而使局部应力增大。![]()
材料不连续：在复合材料或者组合结构中，不同材料的界面处可能会出现应力集中。例如，在钢筋混凝土结构中，钢筋和混凝土的弹性模量不同，在承受载荷时，它们之间的界面就可能产生应力集中。因为两种材料在变形协调过程中，由于变形特性的差异，会导致应力在界面附近重新分布。 载荷分布不均匀：如果结构所受的载荷不是均匀分布的，也可能产生应力集中。比如，一个梁受到集中力作用时，集中力作用点附近的应力会比其他部位大很多。这是因为集中力在局部区域产生了较大的应力，而且应力会以较快的速度向周围扩散，但在集中力作用点附近应力仍处于较高水平。3. 应力集中系数
为了衡量应力集中的程度，引入应力集中系数Kt。它是最大局部应力与名义应力的比值，即![]()
名义应力是指在不考虑应力集中的情况下，按照基本公式计算得到的应力。例如，对于一个带有小孔的受拉平板，通过理论分析或实验测量得到小孔边缘的最大应力，再根据平板的尺寸和载荷计算出名义应力，就可以确定应力集中系数。应力集中系数越大，说明应力集中的程度越严重。ANSYS可以使用应力线性化的方法，计算得到二维结构的应力集中系数，对于三维结构，可以使用有限元方法直接获取到较为精确的应力集中区域的应力分布。4. 影响
对结构强度的影响：应力集中会降低结构的承载能力。在疲劳载荷作用下，应力集中区域是裂纹萌生和扩展的主要位置。例如，在机械零件的轴肩处，如果存在应力集中，经过多次的循环加载和卸载，可能会在应力集中区域产生疲劳裂纹，裂纹会随着循环次数的增加而逐渐扩展，最终导致零件的断裂。 ![]()
对结构稳定性的影响：对于一些受压的薄壁结构，如细长柱或薄壁圆筒，应力集中可能会导致局部失稳。以薄壁圆筒为例，当筒壁上存在局部的几何缺陷或者应力集中时，在压力作用下，这个局部区域可能会先发生屈曲变形，从而影响整个结构的稳定性。5. 缓解措施
优化结构设计：尽量避免结构形状的突变。如果无法避免，可以采用渐变过渡的方式。例如，在轴肩处采用圆角过渡，这样可以使应力流线平缓地变化，减小应力集中程度。 合理选择材料：对于可能出现应力集中的部位，可以选择韧性较好的材料。韧性材料在局部应力较大时，能够通过自身的塑性变形来缓解应力集中。比如，在一些承受冲击载荷的结构中，使用具有较高韧性的合金钢，可以有效降低应力集中带来的不利影响。 采用表面强化技术：如喷丸处理、滚压强化等。喷丸处理是通过向零件表面喷射高速弹丸，使表面产生塑性变形，形成一层压应力层。这层压应力可以抵消一部分由外载荷引起的拉应力，从而提高零件的疲劳强度，尤其是在应力集中区域，这种效果更加明显。
