لاستیک های دوچرخه خود را تا 40 psi (حدود 3 اتمسفر) پمپ می کنید و با این حال آنها منفجر نمی شوند. من فکر می کنم این موجب سردرگمی ,گیج شدن میشه
مچاله شدن آن مخزن شامل خمش نسبتاً ناچیز فلز است. انرژی مورد نیاز برای خم کردن فلز (که اتفاقاً به طور طبیعی بسیار نرم است) چندان خوب نیست. در حالی که انرژی مورد نیاز برای پاره کردن آن (یا لاستیک دوچرخه شما) به انرژی بیشتری نیاز دارد. این به این دلیل است که مورد اول به سادگی شامل جابجایی نابجایی در مقیاس اتمی است در حالی که مورد دوم شامل شکستن پیوندهای اتمی است. دو فرآیند بسیار متفاوت
برای نشان دادن این نکته، فشرده کردن یک قوطی خالی آسان است. اما آیا فکر می کنید می توانید سوراخی در قوطی ایجاد کنید؟در واقع شکل کامل نیست، مواد همگن نیستند و فشارهای اتمسفر تنها نیروهای دخالت کننده نیستند. هنگامی که ماده در کشش است، نیروهای اصلی تمایل دارند که ناپایداری ها را پیش بینی کنند. هنگام فشرده سازی، نیروهای اصلی ناپایداری ها را تقویت می کنند.
هنگامی که مخزن باد می شود، مدول کشش و خمش تغییر شکل تصادفی شکل را پیش بینی می کند (فقط شعاع در حال تغییر است). هنگامی که تخلیه می شود تنها مدول خمشی وجود دارد که تغییر شکل را پیش بینی می کند. برای خلاء کم، این مدول به اندازه کافی بالا است که سیستم را تثبیت کند، اما غلبه بر آن بسیار آسان است. سپس انحراف اندک در تعادل باعث آزاد شدن تمام انرژی انباشته شده می شود.چگونه یک خلاء می تواند باعث ترکیدن چیزی شود؟
خطر انفجار تانکر در حین عملیات پر کردن زمانی رخ می دهد که از سیستم خلاء استفاده می شود، که باعث ایجاد اختلاف فشار اتمسفر برای پر یا تخلیه تانکر می شود. با ایجاد خلاء (فروختگی) در مخزن می توان سیال را به داخل مکید.مکانیسم خرابی یک ظرف استوانه ای تحت خلاء کمانش است.
اگر به معادله پیش‌بینی فشار کمانش نگاه کنیم، می‌توانیم بفهمیم که کدام متغیرها بیشتر مسئول تفاوت‌هایی هستند
$P_b=\frac14 \frac{E}{1-\nu^2}\left(\frac{t}{r}\right)^3$
در جایی که فشار کمانش است، E و ν مدول الاستیسیته و نسبت پواسون ماده هستند و t و r ضخامت دیواره و شعاع سیلندر هستند. این به طور منظم به یک عامل مادی و یک عامل هندسی تقسیم می شود.
برای شیشه:
$\frac{E}{1-\nu^2}=\frac{70 \, \text{GPa}}{1-0.22^2}= 74\text{GPa}$
و فولاد ملایم:
$\frac{E}{1-\nu^2}=\frac{200 \, \text{GPa}}{1-0.3^2}= 220\text{GPa}$
بنابراین از این نظر به نظر می رسد شهود شما که فولاد ماده برتر است هنوز هم قطعا درست است. چه خبر؟
باید هندسه باشد. ظروف شیشه ای برای جابجایی خلاء طراحی شده اند و نسبت ضخامت به شعاع آنها برای آن بسیار مناسب تر است.
پس بیایید دریابیم که دیوار تانکر تقویت نشده چقدر باید نازک بوده باشد:
$1\text{ATM}=\frac14\;220 \, \text{GPa}\;\left(\frac{t}{1\,\text{m}}\right)^3$
t≈1 سانتی متر
شاید بپرسید خوب چرا ظروف فولادی اینقدر نازک هستند؟ اونوقت تحت فشار پاره نمیشن؟
برای مقایسه، اجازه دهید به معادله فشار گسیختگی نگاه کنیم:
$P_r=\sigma_y \frac{t}{r}$
در جایی که Pr فشار گسیختگی است، σ حد تنش ماده است و t و r همچنان ضخامت دیواره و شعاع سیلندر هستند. این نیز به طور منظم به یک عامل ماده و یک عامل هندسه تقسیم می شود.
برای فولاد ملایم:
$\sigma=200 \text{MPa}$
به طوری که آن تانکر می تواند فشار زیر را تحمل کند:
$P_r=\sigma_y \frac{t}{r}=200\text{MPa} \frac{1 \text{cm}}{1 \text{m}}= 2\text{Mpa}$
بنابراین می‌توانست فشاری معادل 20 اتمسفر را قبل از پاره شدن تحمل کند. این احتمالاً فشاری بیش از آن چیزی است که همیشه نیاز دارد. بنابراین دیوار در واقع بسیار ضخیم تر از آن چیزی است که واقعاً باید باشد. به قدری ضخیم طراحی شده است که زیر وزن خود فرو نریزد و به راحتی (بسیار زیاد) کمانش نکند. این ما را به نفتکش تقویت شده می رساند. دلیل اینکه ساختار پشتیبانی در نوارهای اطراف آن وجود دارد این است که به فلز اجازه می دهد نازک تر شود زیرا در واقع نیازی به ضخیم بودن آن برای حفظ فشار سیال نیست.
سپس ممکن است بپرسید که اگر دیوار برای تانکر تقویت‌شده بسیار نازک‌تر بود، چرا در خلاء بسیار ضعیف‌تر فرو نمی‌ریخت؟ برای آن باید الگوی کمانش را بررسی کنیم. تانکر تقویت نشده با دو قسمت در حال حرکت به بیرون و دو قسمت در حال حرکت به داخل تا می شود. این حالت ساده ترین حالت کمانش است و کمترین آستانه فشار را دارد. تقویت‌کننده‌های تانکر دیگر با ایجاد استحکام بیشتر از وقوع آن حالت جلوگیری می‌کردند، بنابراین کمانشی که رخ داد از الگوی بسیار پیچیده‌تری پیروی کرد.
اگر فرآیند را همزمان شروع کنیم، به عبارت دیگر اختلاف فشار در زمان به یک اندازه تغییر می کند، کدام مخزن اول منفجر می شود؟ یا همزمان منفجر می شوند؟
حدس می‌زنم اسمش انفجار است. بنابراین، اساساً آیا انفجار یک جسم و انفجار یک جسم در اثر فشار به طور متفاوتی اتفاق می افتد؟ چگونه؟همانطور که دیگران ذکر می کنند، معیارهای خرابی یک مخزن خلاء و یک مخزن تحت فشار کاملاً متفاوت است. یک عامل بسیار بزرگ وجود دارد که به نظر می رسد هنوز کسی به آن اشاره نکرده است.
هنگامی که ظرف کروی تحت خلاء قرار می گیرد، تحت فشار قرار می گیرد و اگر یک ماده انعطاف پذیر باشد، مستعد کمانش است. این موضوع با نازک شدن دیواره های رگ نسبت به شعاع رگ بیشتر می شود.این حالت شکست کاملاً متفاوت از شکست کششی است و به دلیل ماهیت کمانش، می تواند در تنش فشاری نسبتاً کمتری نسبت به یک ماده با مقاومت برابر که در تنش کششی شکست می خورد، اتفاق بیفتد.
همانطور که دیگران اشاره می کنند، با خلاء فقط می توانید به حداکثر اختلاف فشار برسید، در این صورت خلاء شما عالی است و حداکثر اختلاف فشار را خواهید داشت. بنابراین در مورد انتظار، مخزن خلاء ممکن است قبل از خرابی به حداکثر برسد، در حالی که مخزن تحت فشار می تواند به مرور زمان فشار خود را افزایش دهد و در نهایت از کار بیفتد.
اگر بخواهید این شرایط ایده آل را ایجاد کنید:
هر دو اختلاف فشار می توانند به طور نامحدود در طول زمان افزایش یابند، یکی تحت فشار داخلی و دیگری تحت فشار خارجی.
مواد هر ظرف در کشش و فشار به همان اندازه قوی است
من انتظار دارم که ظرف تحت فشار خارجی ابتدا بیشتر از مخزن تحت فشار داخلی خراب شود، زیرا حالت شکست دیگری دارد که می تواند کمتر از تنش شکست معمولی ماده (بسته به ضخامت دیواره ظرف) رخ دهد.
اساساً، تنش کششی در ظرف، حلقه بازخورد منفی را در برابر شکست ایجاد می کند، اما تنش فشاری ناپایداری ایجاد می کند که در آن یک تغییر شکل کوچک می تواند باعث ایجاد یک حلقه بازخورد مثبت شود که منجر به شکست می شود.
همچنین، مخزن خلاء بسته به اینکه از چه ساخته شده است، ممکن است فقط مچاله شود، در حالی که مخزن تحت فشار، اساساً بدون توجه به اینکه از چه ساخته شده است، بیشتر شبیه یک انفجار واقعی است.مخزن در حال انبساط در حین انبساط پایدار است زیرا نیروی فشار روی تمام نقاط داخلی به طور یکنواخت عمل می کند. نسبتاً نزدیک به استحکام شکست ضعیف ترین قسمت خود (جوش، اتصال و غیره) خراب می شود. با این حال، هنگامی که از بین می رود، بیش از حد استفاده از کار می افتد زیرا مواد پاره می شود.
مخزن انقباض نسبتاً ناپایدار است زیرا هر گونه عدم یکنواختی در نقاط قوت قطعات مختلف آن باعث می شود که یک قطعه سریعتر از قسمت دیگر فرو بریزد. این منجر به مچاله شدن/خطوط کمانش می شود که با ایجاد غلظت تنش به سازه آسیب می رساند. این خطوط سگک به نقطه ضعف مخزن تبدیل خواهند شد، چه متعاقباً منقبض یا منبسط شود. اما پس از اولین فروپاشی باید همچنان به عنوان مخزن ضعیف‌تر قابل استفاده باشد، زیرا معمولاً پاره نمی‌شود (بدون سوراخ)، بنابراین امکان باد کردن مجدد آن وجود خواهد داشت.
بنابراین، مخزن انقباض ابتدا بیش از استفاده معمولی آسیب می بیند، و مخزن منبسط کننده ابتدا بیش از هر استفاده ای آسیب می بیند.
یک مخزن می تواند تحت فشار داخلی یا خارجی در صورتی که مقاومت مواد بیش از حد باشد، از کار بیفتد. دیفرانسیل فشار بحرانی یک پوسته کروی نازک برای این حالت شکست را می توان با استفاده از فرمول زیر محاسبه کرد (برای استخراج آن، می توان تعادل نیمی از پوسته را در نظر گرفت):
$2\pi R h\sigma=\pi R^2 \Delta p,$
که در آن R شعاع پوسته، h ضخامت پوسته، Δp مقدار اختلاف فشار است، σ حداکثر تنشی است که ماده می تواند تحمل کند (برای فشار خارجی (فشرده سازی) و فشار داخلی متفاوت است تنش
که یک پوسته نیز می تواند تحت فشار خارجی در اثر کمانش از کار بیفتد. دیفرانسیل فشار بحرانی یک پوسته کروی نازک برای کمانش را می توان با استفاده از فرمول زیر محاسبه کرد
$\Delta p=\frac{2 E h^2}{\sqrt{3 (1-\mu^2)}R^2},$
که در آن E مدول الاستیسیته ماده است، μ نسبت پواسون آن است (معمولا μ حدود 0.3 است).
بنابراین، برای پوسته‌های نازک، کمانش می‌تواند حالت خطرناک‌تر خرابی باشد. به طور کلی، پوسته بسته به خواص مواد پوسته و ابعاد پوسته می تواند اختلاف فشار بیشتری را تحت فشار داخلی یا خارجی تحمل کند.hope I helped you understand the question. Roham Hesami, sixth semester of aerospace engineering
رهام حسامی ترم ششم مهندسی هوافضا