這個問題與之前答過的非常類似,可以肯定的是:鐵球不管你有多厚,只要力足夠大,總可以被破壞。顯然,越厚越不容易壞。現在的問題就是,對於不同的厚度,承受的外載究竟有多大。下面,我利用有限元軟體,進行簡單的計算(本例不考慮材料屬性隨溫度變化)。
由題目可知,容積1m3的半徑約0.62m,再加上0.5m的厚度,總半徑約1.12m,如下圖所示。外層是鐵,內層是水。
已知,鐵的彈性模量為200GPa,泊松比取0.3,只考慮線彈性階段。不同型號的鐵,其強度極限(屈服極限)都不一樣,我們以Q235為例,其屈服極限為235MPa。我們認為,鐵一旦進入屈服階段,將會產生不可逆的損傷,從而在外載作用下持續破壞,直至完全斷裂。因此,我們以屈服極限作為鐵發生斷裂的起始依據。
必須指出,上述簡化模型與實際肯定有一定的出入。實際的斷裂分析不是以屈服極限為判斷依據(斷裂準則),而是基於實驗,通常其值要大於屈服極限,也大於強度極限。屈服極限、強度極限的定義見上圖。
此外,溫度的升高會降低鐵的屈服極限,甚至會熔化(超過約1495℃)。隨著溫度的升高,鐵的強度在不斷的下降。也就是說,235MPa的斷裂準則隨著溫度而不斷下降。這種過程較為複雜,不在本文考慮之列,有興趣的同學可以嘗試計算一下。
本文僅考慮線彈性、溫度無關的材料本構模型,由於結構對稱性,建立1/8的模型,如下圖所示。靜載荷取500MPa,均勻分佈於內壁。隨著溫度的升高,內部的水開始氣化,形成較大的內壓。
結果如下,在0.2658s的時候,內壁的壓力已經接近屈服極限了,為231.6MPa,此時對應的內壓為133MPa。此時,如果溫度繼續升高,內壓繼續增大,那麼內層就進入屈服階段,內層的鐵將會首先發生不可逆的拉伸破壞。
根據上述計算,發現鐵球在內壓達到133MPa時,就開始承受不住了。想要內壓達到133MPa,那麼水蒸氣必須達到560℃,如下表所示。下表的溫度僅取到370K,遠未達到560℃。需要查表方才可以確定對應的溫度。
正如一開始討論溫度的時候所述,溫度的升高會降低鐵球的強度,其承載能力會急劇下降。實際上的承載能力是遠小於133MPa的,也就是溫度500℃,甚至更低,這需要重新積算。不管怎樣,這溫度都離鐵的熔點非常遠,所以不用考慮熔化的問題。在鐵球熔化之前,就已經炸裂了。
透過上述分析,我們知道在不考慮鐵球的溫度效應情況下,其內壓極限在133MPa,此時對應的溫度約560℃,遠離鐵的熔點。即在鐵球熔化之前,會因為內壓過大而首先發生爆炸。
假如考慮材料的溫度效應,那麼隨著溫度的升高,鐵的強度逐漸下降,其承載能力也下降。所以實際上,溫度沒到560℃、內壓沒到133MPa的時候,早就爆炸了。
這個問題與之前答過的非常類似,可以肯定的是:鐵球不管你有多厚,只要力足夠大,總可以被破壞。顯然,越厚越不容易壞。現在的問題就是,對於不同的厚度,承受的外載究竟有多大。下面,我利用有限元軟體,進行簡單的計算(本例不考慮材料屬性隨溫度變化)。
1、準備工作由題目可知,容積1m3的半徑約0.62m,再加上0.5m的厚度,總半徑約1.12m,如下圖所示。外層是鐵,內層是水。
已知,鐵的彈性模量為200GPa,泊松比取0.3,只考慮線彈性階段。不同型號的鐵,其強度極限(屈服極限)都不一樣,我們以Q235為例,其屈服極限為235MPa。我們認為,鐵一旦進入屈服階段,將會產生不可逆的損傷,從而在外載作用下持續破壞,直至完全斷裂。因此,我們以屈服極限作為鐵發生斷裂的起始依據。
必須指出,上述簡化模型與實際肯定有一定的出入。實際的斷裂分析不是以屈服極限為判斷依據(斷裂準則),而是基於實驗,通常其值要大於屈服極限,也大於強度極限。屈服極限、強度極限的定義見上圖。
此外,溫度的升高會降低鐵的屈服極限,甚至會熔化(超過約1495℃)。隨著溫度的升高,鐵的強度在不斷的下降。也就是說,235MPa的斷裂準則隨著溫度而不斷下降。這種過程較為複雜,不在本文考慮之列,有興趣的同學可以嘗試計算一下。
2、計算過程本文僅考慮線彈性、溫度無關的材料本構模型,由於結構對稱性,建立1/8的模型,如下圖所示。靜載荷取500MPa,均勻分佈於內壁。隨著溫度的升高,內部的水開始氣化,形成較大的內壓。
結果如下,在0.2658s的時候,內壁的壓力已經接近屈服極限了,為231.6MPa,此時對應的內壓為133MPa。此時,如果溫度繼續升高,內壓繼續增大,那麼內層就進入屈服階段,內層的鐵將會首先發生不可逆的拉伸破壞。
3、討論根據上述計算,發現鐵球在內壓達到133MPa時,就開始承受不住了。想要內壓達到133MPa,那麼水蒸氣必須達到560℃,如下表所示。下表的溫度僅取到370K,遠未達到560℃。需要查表方才可以確定對應的溫度。
正如一開始討論溫度的時候所述,溫度的升高會降低鐵球的強度,其承載能力會急劇下降。實際上的承載能力是遠小於133MPa的,也就是溫度500℃,甚至更低,這需要重新積算。不管怎樣,這溫度都離鐵的熔點非常遠,所以不用考慮熔化的問題。在鐵球熔化之前,就已經炸裂了。
4、總結透過上述分析,我們知道在不考慮鐵球的溫度效應情況下,其內壓極限在133MPa,此時對應的溫度約560℃,遠離鐵的熔點。即在鐵球熔化之前,會因為內壓過大而首先發生爆炸。
假如考慮材料的溫度效應,那麼隨著溫度的升高,鐵的強度逐漸下降,其承載能力也下降。所以實際上,溫度沒到560℃、內壓沒到133MPa的時候,早就爆炸了。