小缺口，大破坏，塑料的“缺口敏感”如何解决？

你可能见过这些日常画面：

一般PC板哪怕磕出一个小口，也可能迅速裂开；

塑料产品的尖角处总是最容易断裂；

手机边框接口和桥梁接缝为何极易成为险情“重灾区”？

这些，都指向一个关键原理：应力集中。

PART 01 什么是“应力集中”？

当结构受力时，理想状态下应力应均匀分布。但现实中，孔洞、锐角、不连续或材料缺陷等几何瑕疵，会让应力“汇聚”在局部，远高于整体平均水平，这就是应力集中。

比如，一个简单拉伸板上的圆孔，会使局部应力是其他区域的 3 倍左右。工程中常用应力集中因子 Kₜ来衡量局部增强程度：

Kₜ = σ_max/σ_nom

σ_max= 最大应力

σ_nom= 总横截面上施加的或名义的应力

如何计算集中影因子：

可以通过使用各种公式和表格来完成，例如Roarke的压力和应变公式，或eFatigue.com等网站上的公式和表格。两个例子：

https://www.fictiv.com/articles/stress-concentrations-how-to-identify-and-reduce-them-in-your-designs

https://sendcutsend.com/blog/stress-concentrations/?srsltid=AfmBOoq6fXRb-Aqb6Xmvsx0kDusFt4FNtNTex5BUQQJzHBavNjbVDfz&utmsource=chatgpt.com

PART 02 为什么它危险？

局部应力骤增，是材料最容易出故障的“暗伤”点：

静载荷下，局部过高应力导致塑性变形或断裂；

疲劳载荷下，裂纹往往在这些集中处萌生并扩展，即便整体载荷不高也会失效。

如果忽视应力集中，零件性能可能下降 3 倍甚至更多。

PART 03 怎么化解“暗伤”？实用工程师必备策略

1、增大圆角与过渡区域

在内部锐角处加入圆弧，使应力流更顺畅，大幅降低 Kₜ 。

https://sendcutsend.com/blog/stress-concentrations/?srsltid=AfmBOoo9N0ctV2bZMDSd4t9Z3TH_uvXqhnUmPdJHsa8vbTB2sa1DawHh

2、增设缓冲孔

有时在主孔前后增设小孔可分散应力，虽需谨慎使用，但在无仿真情况下为一种务实方法。

3、引入仿真与实验工具

有限元分析（FEA）：预测复杂载荷结构下的高应力区域；

应变片 / 光弹性实验：实测局部应变点，更精确评估 Kₜ。

4、材料与结构选型优化

采用高断裂韧性材料、功能梯度材料（FGM）等，可以有效降低应力集中带来的失效风险。

5、智能预测趋势

引入 AI／神经网络等方法，预测应力集中因子，大幅提升设计效率与精度。

PART 04 怎么利用“应力集中”？实用工程师必备策略

有时，设计人员可能希望引起应力集中，以使组件故意断裂。一些示例包括：

“机械保险丝”，一种廉价的部件，以受控方式断裂，而不是更昂贵的部件，例如剪切螺栓。
无需切割工具即可现场拆卸的零件段 - 想想袋子上的穿孔或电气接线盒上的敲出孔。

PART 05 小结：细节决定结构生命力

结构是否牢固，不在于整体强度，而在于“最弱一环”的设计。只要从以下几方面入手：精心几何过渡、合理孔位布局、专业缓冲设计、仿真与实验验证，甚至 AI 辅助预测，就能让“小缺口”不再是“致命暗点”。

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