مفاهیم دنیای سازه 2 | هوافضای جوان

مفاهیم دنیای سازه ۲

در درس قبل به معرفی نیروها و همچنین گشتاور نیرو پرداختیم اما مسئله مهم اینجاست که نیروها و گشتاورهای وارده به یک سازه بر چه اساسی سنجیده میشه؟ برای مهندسان سازه مهمه که بفهمن آیا سازه ای که طراحی کردن یا دارن طراحی میکنن میتونه در برابر نیرو ها (بارها) تحمل کافی داشته باش یا خیر؟ به طور ساده در اولین قدم در طراحی یک سازه ساده مثل خرپا، ابتدا نیروهای قسمت های مختلف اجزاء محاسبه میشه بعد بررسی خواهد شد که آیا عضو مورد نظر تحمل نیروی وارد شده رو داره یا خیر؟ در تحلیل و طراحی هر سازه ای، ابتدا با تنش و کرنش سر و کار داریم. تنش و کرنش از اصلی ترین پارامتر های تحلیل تمامی سازه های مهندسی هستن.

تنش چیست؟

نیرو در سطح واحد، یا میزان نیروهای پخش شده روی یک مقطع معین را تنش در آن قطعه میگن. مثلا یک میله با یک سطح مقطع مشخص، ممکنه از دو طرف فشرده بشه یا اینکه از هر دو طرف کشیده بشه که در حالت اول تنش از نوع فشاری و در حالت دوم از نوع فشاری خواهد بود.

  مساحت/نیرو  =  تنش

  σ = P/A

Capture

وقتی نیرو در امتداد محور میله یا قطعه قرار بگیره، گفته میشه میله تحت بارگذاری محوری است. حال اگر این نیرو بر سطح مقطع میله به صورت عمود وارد بشه، تنش بوجود آمده را تنش قائم می گوییم تنش قائم به صورت یکنواخت به قطعه وارد می شود.

نوع دیگری از تنش، به نام تنش برشی است. این نوع تنش هنگامی به وجود میاد که نیروها به صورت عرضی یا برشی به قطعه وارد بشه. این نوع تنش معمولا در پیچ و مهره ها و پرچها بوجود میاد.

  τ = P/A

برخلاف تنش قائم، در این نوع تنش توزیع تنش های برشی در قطعه به صورت یکنواخت نیست.

حالت هایی که بررسی شدن معمولا برای قطعات ساده است اما در واقعیت اینطور نیست و قطعات سازه های مهندسی مثل هواپیما تحت بارگذاری های پیچیده تری هستن که در جهت های مختلفی ممکنه به قطعات وارد بشه و نیاز به تحلیل های بیشتری دارند. معمولا هر قطعه ای باید تا یک حد مجازی تنش به آن وارد بشه و طراحان سازه لازمه بر حسب اینکه وظیفه قطعه چگونه است تحمل این میزان تنش رو طراحی کنن. همچنین هر قطعه ای تا یک حد نهایی قادر به تحمل تنشهای وارده است که به آن تنش نهایی می گویند. در همین رابطه همه یک ضریبی بنام ضریب اطمینان وجود دار که به صورت زیر تعریف میشه:

  بار مجاز/بار نهایی   =  .F.S = ضریب اطمینان

(.F.S مخفف Factor of Safty  است)

ضریب اطمینان همونطور که از اسمش پیداست ضریبی برای میزان اطمینان به قطعه است. انتخاب ضریب اطمینان یکی از مهمترین وظایف مهندس سازه است. اگر این ضریب خیلی کوچک باشه تحمل سازه کم خواهد بود و اگر خیلی بزرگ باشه ممکنه صرفه اقتصادی نداشته باشه. مثلا یک قطعه را برای اینکه اطمینان بالایی داشته باشد آنقدر بزرگ طراحی می کنیم در برابر نیروها بسیار مقاوم باشد ولی از آن طرف قیمت قطعه بالا خواهد رفت. بنابراین میزان ضریب اطمینان بستگی به عوامل مختلفی دارد. یا مثلا دوچرخه شما ممکنه تا سه برابر وزنتان رو بتونه تحمل کنه، یعنی ضریب اطمینان ۳ و اگر این وزن کمی بیشتر بشه ممکنه سازه دوچرخه دچار شکستگی بشه. شاید جالب باشه بدونید که ضریب اطمینان قطعات مهم یک آسانسور برای ایمنی زیاد، ممکنه عدد ۸ هم برسه یعنی تا پنج برابر وزن مجاز، ظرفیتش افزایش پیدا کنه. در هواپیماها نیز معمولا ضریب اطمینان حدود ۱.۵ است چون ما با محدودیت های زیادی برای افزایش وزن مواجه هستیم.

کرنش چیست؟

بخش دیگری از تحلیل سازه ها به تغییر شکل قطعه بر اثر نیروهای وارده مربوط میشه همیشه سعی بر این است که از تغییر شکل های بزرگ جلوگیری بشه تا سازه بتونه وظیفه خودش رو به خوبی انجام بده. وقتی یک قطعه در اثر بارگذاری محوری طولش تغییر کند، بحث کرنش مطرح میشه. کرنش هم مانند تنش دارای یک رابطه ریاضیه که این رابطه می گوید کرنش میزان تغییر طول قطعه نسبت به حالت اولیه.

طول اولیه/ تغییر طول  =  کرنش

Capture11

به طور دقیقتر اینطور می گوییم که وقتی یک قطعه تحت نیروی کششی قرار میگیره، ابتدا در آن تنش ایجاد میشه و با افزایش نیرو طول قطعه افزایش یافته و ناگهان دچار شکستگی می شود. اندازه گیری تنش و کرنش از طریق انجام آزمایش ها و تست ها و همچینن تحلیل های کامپوتری انجام میشه.

تا اینجا فقط در مورد بارگذاری محوی یا اعمال نیروی در راستای قطعه صحبت کردیم یعنی مثلا حالتی که یک مداد را از دو طرف بکشیم یا فشار دهیم. اما در عمل اینطور نیست و قطعات در جهت های مختلفی تحت تنش های قائم و برشی و همچنین کرنش هستن.

نمودار تنش-کرنش یکی از مشخصه های مهم بررسی استحکام مواد است. نمودارهای تنش و کرنش برای مواد مختلف کاملا با هم متفاوته. معمولا مواد به دو گروه مواد چکش خوار و مواد شکننده تقسیم میشن. همونطور که از اسمشان پیداست مواد چکش خوار موادی هستن که قابلیت تغییر شکل دارند مثل فلزات و آلیاژها ولی مواد شکننده بر اثر اعمال نیرو زیاد دچار شکستگی میشن مثل چدن، شیشه و سنگ. این دو مواد رفتار تنش-کرنشی متفاوتی دارن.

Capture33

در مواد شکننده وقتی نیرو یا باری وارد میشه، قطعه هیچ تغییر شکلی از خودش نشان نمیده و اگر بار از یک حد بیشینه بیشتر بشه، قطعه ناگهان دچار شکستگی میشه که این موضوع از نمودارشان کاملا پیداست. اما در مواد چکش خوار اینطور نیست و پس از اعمال نیرو زیاد و گذشتن از حد مشخصی به نام استحکام تسلیم، کم کم دچار تغییر شکل میشه و در نهایت دچار شکستیگی میشه.

مثلا اگر یک سنگ را تحت آزمایش کشش قرار دهیم، سنگ بدون تغییر شکل ناگهان میشکنه ولی اگر نیروی کششی را به یک میله آلومینیومی وارد کنیم میله ابتدا دچار تغییر شکل و باریک شوندگی شده و ناگهان دچار گسیختگی میشه.

اغلب سازه های مهندسی که برای تغییر شکلهای نسبتا کوچکی طراحی میشن، فقط شامل قسمت اولیه و خطی شکل نمودار هستن. در این قسمت تنش با کرنش یک رابطه خطی شکل داره که با یک پارامتر مهم بنام E یا مدول الاستیسیته که به خاصیت ماده بستگی داره بیان میشه.

کرنش x مدول الاستیسیته = تنش

پیچش چست؟

هلیکوپتری را در نظر بگیرید که پره های آن در حال چرخشه، اگر کمی دقیق تر نگاه کنیم پس از اینکه موتور هلیکوپتر روش میشه قدرت ایجاد شده توسط موتور از طریق یک میله توپر محکم (شفت) به پره ها منتقل میشه. این میله رو در جاهای دیگه هم میتونیم ببینیم مثل موتور ملخی هواپیما و حتی خودروها. این میله با توجه به اینکه همیشه در حالت چرخش است نیروهایی به صورت پیچشی به آن وارد می شود. مثل حالتی که شما یک مداد را از دو سرش گرفته و در جهت مخالف می پیچانید. یا پیچاندن یک پیچ گوشتی باعث ایجاد یکی نیروی پیچشی در آن میشه.

Capture77

Capture99

خمش چیست؟

خمش مفهوم مهمیه که در طراحی اغلب اجزای مکانیکی و سازه ای بکار میره. اغلب سازه های میله ای شکل، وقتی تحت نیرو قرار می گیرند خم می شوند.

Beam_bending

 خمش میله وزنه برداری در بالای سر وزنه بردار، نمونه ای از خمش خالص است. این میله دارای وزنه هایی است که به فواصل مساوی از دست های وزنه بردار قرار دارن. به علت تقارن میله، واکنش نیرویی دست ها با هم برابر و در سوی مخالف وزنه ها هستن. بنابراین هنگام بررسی قسمت مرکزی میله می تونیم فرض کنیم که هرکدام از دست ها باعث ایجاد یک گشتاور خم کننده خواهد شد.

Capture333

خمش رو در اکثر سازه های مهندسی میشه مشاهده کرد. خمش بال هواپیما یکی از بهترین مثال های خمش است که به علت نیروهای آیرودینامیکی برآ ایجاد میشه. خمش باعث ایجاد تنش های بسیار بزرگ میشه که مهندسان سازه میشه به آن توجه زیادی دارن و تست خمش یکی از مهمترین ترین تست های سازه ای هواپیماست.

787-wing-load-structural-tests

Capture55

وقتی یک تیر تحت خمش قرار می گیره تنش های بزرگی به آن وارد خواهد شد که بررسی و تحلیل این تنش ها یکی از وظایف طراحان سازه است.

Capture2

(منظور از لنگر خمشی همان ممان یا گشتاور خمشی است)


پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

لطفا معادله امنیتی را وارد کنید. * Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.