أي وعاء ضغط هو الأقوى؟ مقارنة الأشكال الهندسية والمواد وحدود الانفجار

الإجابة على السؤال الأساسي:أيّ وعاء ضغط أقوى؟تحديد "أقوى" وعاء الضغط يتطلب النظر في عاملين هندسيين متميزين:الهندسةوتكوين الموادمن وجهة نظر هندسية،وعاء ضغط كرويهو أقوى شكل لأن انحناءها المزدوج المتماثل يوزع الضغط الداخلي بشكل متساو، ويواجه بالضبط نصف أقصى إجهاد جدار الأسطوانة.من وجهة نظر مادية وتشغيلية، الضغط العاليأوعية مغلفة بالمواد المركبة من النوع 4(باستخدام غطاء بوليمر مغطى بلفايبر الكربون الكاملة) تحقيق أعلى ضغوط الانفجار المطلقة ونسب القوة إلى الوزن ،منخفضة الحرارة.

عند الحفاظ على الضغط الداخلي ، يحدد شكل الوعاء كيفية تأثير الضغط على جدرانه. في ميكانيكا أوعية الضغط ذات الجدران الرقيقة ، تتصرف الأشكال بشكل مختلف تمامًا تحت الحمل:

• أوعية أسطوانية (ضغوط ثنائية المحورية):يتم تعريض الاسطوانة المضغوطة لقوى متجهتين مختلفتينإجهاد الحلقة(الجهد المحيطي الذي يقسم القشرة بطولياً ، ويتم احتسابه على شكلالإجهاد الطولي(الجهد المحوري يسحب القبعات النهائية بعيداً ، ويحسب على النحو: لأن جهد الحلقة مرتين من الجهد الطولي ، فإن الأسطوانات لديها ضعف هيكلي متأصل على طول محيطها.

• الأوعية الكروية (التوتر المتساوي):تتميز الكرة بمنحنى مزدوج متماثل يشتت الضغط الداخلي بالتساوي في جميع الاتجاهات. يتم حكم أقصى إجهاد طبيعي لها بواسطةنصفالإجهاد الحلق الذي يعاني منه أسطوانة بنفس نصف قطرها وسمك الجدار.هذا يجعل الكرات قادرة من الناحية الهيكلية على تحمل ضعف الضغط الداخلي لسيلندر معادل قبل الوصول إلى نفس عتبة الإجهاد المادي.

في حين أن الكرات متفوقة هندسياً لتخزين الكميات الكبيرة، فإن التقدم في المواد يملي قوة الانفجار المطلقة في التطبيقات عالية الضغط والمتنقلة:

• سبائك معدنية عالية القوة (النوع 1): الأوعية المصنوعة من المعادن الخاصة مثل الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج، غير القائم، التيتانيوم،أو الصلبات ذات السبائك المنخفضة الكرومية، توفر قوة سحب هائلة ومقاومة للزحف تحت درجات حرارة صناعية شديدة وبيئات كيميائية تآكل.

• تغطية مركبة من ألياف الكربون (النوع 4):لاحتواء الضغط الشديد (مثل 350 إلى 700 بار تخزين الهيدروجين وأنظمة الفضاء الجوي)أوعية الضغط من النوع 4من خلال الجمع بين غطاء البوليمر خفيف الوزن مع الألياف الكربونية عالية الجاذبية وملفوفة المصفوفة الايبوكسي، هذه الأوعية تحقيق هامش ضغط انفجار استثنائية،تتجاوز بكثير حدود الوزن والقوة في الحاويات التقليدية المعدنية بالكامل.