تمرکز تنش در قطعات پلاستیکی

در ادامه مبحث طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی به موضوع تمرکز تنش و نقش آن در طراحی شکل قطعات پلاستیکی پرداخته می شود.

یکی از حوزه‌هایی که در هنگام در نظر گرفتن هندسه قطعه، شایسته توجه ویژه است، تأثیرات تمرکز تنش است. توزیع تنش در قطعات تحت تأثیر وجود ویژگی هایی مانند گوشه ها، سوراخ ها یا هر گونه ناپیوستگی در هندسه طراحی است. تنش‌ها تمایل دارند در این ناپیوستگی‌ها متمرکز شوند، که منجر به مقادیر تنش موضعی می‌شود که می‌تواند به طور قابل‌توجهی بیشتر از تنش‌ها در مناطق مجاور ناپیوستگی باشد. بنابراین، تنش‌ها و کرنش‌ها با استفاده از تحلیلی که هندسه ساده را در اشتباه فرض می‌کند، پیش‌بینی می‌شود.

ضریب شدت تنش، K، به عنوان نسبت حداکثر تنش واقعی (تنش ماکسیمم در ناپیوستگی) به تنش پیش‌بینی‌شده یا تعیین‌شده با استفاده از فرمول‌های کلاسیک مکانیک (برای هندسه‌های منظم) برای مقطع خالص، بدون توجه به توزیع تنش پیچیده‌تر، تعریف می‌شود. عوامل شدت تنش را می توان برای هندسه های مختلف افزایش دهنده تنش برای مواد الاستیک محاسبه کرد. با این حال، مقادیر معادل ممکن است برای مواد انعطاف پذیر (یا ویسکوالاستیک) بیشتر قابل اعمال نباشد.

شکل۱ معادله ای را نشان می دهد که ضریب تمرکز تنش، K را برای مقاطع مستطیلی که دارای یک سوراخ دایره ای مرکزی هستند و در معرض کشش تک محوری هستند، مرتبط می کند. با استفاده از این روابط، می توان تنش موضعی را در محل A، در امتداد محیط سوراخ تخمین زد. به عنوان مثال، قطعه ای با عرض 0.500 اینچ (12.7 میلی متر) و یک سوراخ مرکزی با قطر 0.125 اینچ (3.2 میلی متر) دارای ضریب  K برابر با 2.44 است. به عبارت دیگر، تنش در محل A 2.44 برابر بیشتر از مقدار اسمی (محاسبه شده) است که با تقسیم نیروی کششی بر حداقل مقطع تعیین می شود. روابط مشابهی برای سایر هندسه های افزایش دهنده تنش موجود است.

مقدار واقعی ضریب تمرکز تنش هم به هندسه قطعه و هم به رفتار تنش-کرنش ماده بستگی دارد (شکل ۲ را ببینید). رفتار شکل پذیر بسیاری از مواد پلاستیکی منجر به یک رابطه غیر خطی بین تنش و کرنش در سطوح کرنش بالاتر می شود. برای این پلیمرهای انعطاف پذیر، افزایش تنش موضعی کمتر از نسبت افزایش کرنش موضعی است.

شکل ۱ ضریب تمرکز تنش کششی، K، برای یک مقطع مستطیلی با یک سوراخ دایره ای مرکزی

شکل ۲ تمرکز تنش کششی در لبه سوراخ برای مواد با رفتار تنش-کرنش خطی و غیرخطی

در طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی شکل قطعه پلاستیکی برای طراحی قالب بسیار مهم می باشد و از این رو در نظر گرفتن تمرکز تنش در قطعات پلاستیکی برای طراحی شکل آن ها موضوع بسیار مهمی در زمینه طراحی قالب های تزریق پلاستیک می باشد.