Solide versus strategisch hohl

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Dies mag eine blöde Frage sein, ist aber 100% stärker als ein strategisch hohles Teil. Strategisch hohl bedeutet, die innere Struktur ist so gestaltet, dass sie die Belastungsrichtung unterstützt?

Mein Denken geht sowohl von internen 3D-Druckunterstützungen als auch von Bio-Mimikry-Designs aus. Wenn man die innere Struktur von Knochen betrachtet, sind sie nicht solide. Wären sie definitiv immer stärker, wenn sie solide wären? Intuitiv würde ich "offensichtlich" sagen, aber könnte eine interne Struktur so entworfen werden, dass die Oberflächenenergie und die Lastpfade eine stärkere Struktur erzeugen als ein einzelner massiver Block?

Wenn es eine Möglichkeit gibt, die interne Struktur zu entwerfen, wie würden Sie dies entwerfen / analysieren, wenn nicht, gibt es eine Möglichkeit, zu beweisen, dass dies nicht der Fall ist?

mechanical-engineering structural-engineering Diesel
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Antworten:

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Es scheint, als würden Sie die Bedeutung des Verhältnisses von Stärke zu Gewicht nicht berücksichtigen .

Ein fester Balken ist stärker, wiegt aber auch mehr. Dieses zusätzliche Gewicht belastet andere Komponenten zusätzlich und hat auch eigene innere Spannungen, die mit dem Abstützen selbst zusammenhängen (stellen Sie sich einen langen massiven Ausleger gegenüber einem hohlen vor).

Oftmals verwenden Ingenieure Hohlkörper oder Konstruktionen mit Gurtband. Der allgemeine Zweck der Entwürfe besteht darin, das Material dort zu platzieren, wo es für die Festigkeit erforderlich ist. Versuchen Sie jedoch, es nicht zu übertreiben. Andernfalls haben Sie ein Gewicht, das das Bewegen erschwert (oder zu mehr innerer Belastung zwischen den Elementen führt).

Oft geht es darum, Dinge hohl zu machen, zumal Dinge wie Biegen und Torsion an den äußersten Punkten den größten Widerstand leisten. Sie maximieren Ihr Material dort, wo Sie die meisten Spannungen sehen würden (denken Sie an I-Träger zum Biegen und hohle Stangen zum Verdrehen).

Die Natur hat dies auf eine ziemlich gute Wissenschaft zurückgeführt. Knochen und dergleichen haben Stärke, wo sie gebraucht werden, aber es gibt genug Hohlräume und dergleichen, um andere wichtige Teile der Anatomie zu passen, anstatt voller Knochen zu sein, ohne so viel strukturellen Nutzen.

JMac
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Um fortzufahren: Wie Sie zu Recht betonen, ist es eine gute Möglichkeit, den Durchhang zu verringern, wenn Sie nicht unterstützte Strukturen leichter machen. OTOH, ein fester Felsbrocken, der auf dem Boden liegt, ist viel schwerer zu zerdrücken als jede leichtgewichtige Struktur derselben Form (und die auf dem Boden liegt).
Carl Witthoft
Ich habe nicht speziell über Gewicht nachgedacht, aber für größere Mitglieder (bei denen die Masse eine größere Rolle spielt) ist man begeistert. Ich dachte eher, kann eine interne Struktur, die speziell für einen Lastfall entwickelt wurde, stärker sein als ein fester Block? Wenn die Lasten also parallel zum Boden wären (Minimierung der Belastung aufgrund der Masse), könnte eine komplexe Struktur stärker sein als eine massive Struktur?
Diesel
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@Diesel Ich kann nicht sehen, wie wenig Material stärker wäre, wenn Sie nicht mehr als die meisten technischen Analysen einige seltsame Effekte erzielen würden. Soweit ich weiß, gibt es eigentlich nichts, was das bewirken könnte. Die Sache ist, unabhängig von der Gesamtgröße, Sie reduzieren die Selbstbelastung, wenn Sie die Masse verringern. Die Struktur wird dadurch nicht stärker, aber Sie können Strukturen entfernen, bei denen Sie kein Laden erwarten. Dies alles funktioniert mit kontinuierlichen Skalen, bei denen es sich um eine feste Materialmasse handelt. In sehr kleinen Maßstäben kann dies an sekundären molekularen Effekten scheitern.
JMac
Intuitiv würde ich dein Recht sagen. Wenn Sie jedoch die Bruchstelle eines Risses bohren, um dessen Ausbreitung zu verhindern, erhöhen Sie die Festigkeit. Gibt es überhaupt keinen anderen Fall, in dem das Entfernen von Material die Festigkeit erhöhen könnte? Und ich interessiere mich eher für makroskopische Volumina, nicht für einzelne Atome. Das Umordnen der Molekülstruktur kann definitiv die Materialeigenschaften verändern, z. einkristallines Titan, Nanostrukturen usw.
Diesel
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@Diesel Ein Loch in einen Riss zu bohren macht ihn nicht wirklich stärker. Risse sind ein Fehler, der sich unter bestimmten Bedingungen leicht ausbreiten kann. Durch Bohren eines Lochs wird der Fehler beseitigt, sodass er sich nicht ausbreiten kann. Sie verlieren jedoch immer noch an Festigkeit. Lediglich der Riss verringert die Festigkeit aufgrund seines Versagensmodus.
JMac