通过去除材料使结构更强

当结构中的压力超过可接受的限制时，首先想到的是添加更多材料以增加负载能力。尽管这通常是一个不错的选择，但在许多情况下，您应该遵循相反的路径：通过去除材料来改善结构。在这篇博客文章中，我们研究了一些这样的示例。

附加孔的奥秘

大约30年前，我分析了一种离心机中的应力。问题在于，某些孔周围的应力（通过将一种分离的物质弹出）太高。当我向客户建议他们可以通过增加更多的孔（实际上也可以改善吞吐量）来解决问题时，他们看上去并没有完全相信。但是，更多的FE分析证明了这一点。原则上，结构看起来像这样：

一部分离心机的概念视图，以及von Mises的压力分布。负载是由离心力引起的。

通过在图中添加主要压力箭头，可以更好地了解实际发生的事情：

原始几何形状中最大的主要应力的图，周围有12个孔。

主要的应力分量是在圆周方向上作用，应力浓度是由应力流的重定向引起的。实际上，如果我们可以用圆周裂缝替换孔，则根本没有应力浓度。但是，这是不可能的，因为必须连接环的内部和外部。如果我们将孔彼此靠近，则应力通量的重定向较小。可以使用优化过程找到孔的最佳分布，但是在这种情况下，只需手动更改参数即可。事实证明，有34个孔是一个很好的数字。

有34个孔，von Mises等效应力减少了33％。同时，我们获得了一个更轻的结构，具有更好的吞吐量。

在离心机中的von Mises应力比较12个孔和34个孔。

查看主要应力的特写镜头揭示了为什么我们不能将孔更加近：它们之间的韧带会受到离心力引起的径向应力，因此不能使其变薄。

使用34个孔时，最大的主要应力。

鱼片

应力浓度发生在几何形状突然变化的地方。一位经验丰富的设计师将尝试使过渡尽可能平稳，并使用大的圆角半径。但是，增加圆角半径可能是不可行的，因为添加的材料会干扰其他部分。

如果是这种情况，您可以使用称为底切或者浮雕凹槽。在这种情况下，您可以通过去除材料来增加半径。（请注意，在焊接的背景下，“底切”通常意味着某种类型的焊接缺陷。）

在下面的示例中，您可以看到三种不同的设计。在原始设计（顶部）中，应力浓度因子为1.91。通过将圆角半径增加50％，应力浓度因子可以降低13％至1.67。红色虚线从薄部分的厚度恒定的位置显示出来，因此通过增加圆角半径，丢失了一些空间。

在第三种情况下，使用了较大半径的底切。这给出了应力浓度相同的减少，但没有扩展增厚区域的缺点。使用底切的缺点是，零件的制造可能更复杂，因此昂贵。

使用两种不同的几何变化减少应力浓度。

一个特殊情况下，焊缝可能非常有效。由于焊缝本身通常对疲劳非常敏感，因此可以通过在其前面添加凹槽来保护它。实际上，由于疲劳强度的差异，可能在凹槽处允许比焊接脚趾的情况明显更高的压力。

位移控制

当结构上的负载由受控位移而不是规定的力组成时，添加更多材料通常会增加力。压力将是恒定的，甚至会增加。在许多情况下，似乎并没有乍一看控制位移，但仍然如此。热变形通常可以被认为是一种规定的位移。

考虑以下2D示例：

几何和边界条件。

这三个条通过右侧的0.1 mm的规定位移拉伸。在模型的左侧，假定对称平面。所得的应力分布如下所示。

规定位移下的应力分布（变形被100倍放大）。

孔的最大应力为188 MPa。两个外条中的力为3.36 kN，而中央条中的力为3.22 kN。现在，我们可以尝试通过降低其刚度来降低临界中央棒中的压力。当然，这可以通过多种不同的几何变化来实现。实际上，选项通常受结构功能的限制。在这里，我们在对称平面上制作一个槽口。

变化的影响是将最大应力减少19％至153 MPa。显然，通过消除更多材料，很容易实现更大的减少。

其他两个酒吧发生了什么？由于规定的位移，它们不应比以前更大。调查力表明它实际上增加到3.36 kN；也就是说，不到1％。略有增加的原因是，规定的位移不是直接应用于条形的，而是通过弹性但相当坚硬的结构应用。通常在现实世界结构中就是这种情况。

更改负载路径

让我们考虑与上一个示例相同的几何形状。而不是规定的位移，而是将力用作负载。选择该值以与规定位移引起的反作用力完全匹配；也就是说，9.94 kn。显然，在原始几何形状中，结果将保持不变。

但是，在这种情况下，当我们降低中间条的刚度时，必须由两个外部杆承载更多负载。同样，由于结构的总刚度降低，因此负载边界处的位移必须有所增加。

规定力时柔软结构中的应力分布。

可以看出，峰值应力的减少现在较小。外杆中的力增加到3.58 kN，而中央条中的力为2.77 kN。

这是完全不同机制的一个示例：负载路径的变化。可以通过将力转移给其他成员来减少关键成员的力量。实现这一目标的一种更简单的方法是使两个外栏变稠，但这超出了此博客文章的范围，因为这意味着添加而不是删除材料。

关于使结构更强的最终想法

去除材料可能有益于在几种情况下降低局部应力水平。从上面的示例中可以看出，它确实会带来增加的制造复杂性。

在上面的示例中，使用工程直觉进行了更改。通过使用诸如参数，形状或拓扑优化，可以获得更好的结果。增材制造方法然后可以使复杂几何形状的生产可行。

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