الأنبوب المربع مقابل الأنبوب المستطيل: أيهما أكثر متانة؟

الأنبوب المربع مقابل الأنبوب المستطيل، أي شكل هو أكثر متانة؟

الفرق في الأداء بينأنبوب مستطيلوأنبوب مربعفي التطبيقات الهندسية يجب تحليلها بشكل شامل من وجهات نظر ميكانيكية متعددة مثل القوة والصلابة والاستقرار والقدرة على التحمل.

1. القوة (مقاومة الانحناء والالتواء)

قوة الانحناء:
الأنبوب المستطيل: عند تعرضه لحمل الانحناء على طول اتجاه الجانب الطويل (اتجاه الارتفاع)، يكون عزم القصور الذاتي للمقطع أكبر، وتكون مقاومة الانحناء أفضل بشكل ملحوظ من مقاومة الأنبوب المربع.

على سبيل المثال، قوة الانحناء للأنبوب المستطيل مقاس 100×50 مم في اتجاه الجانب الطويل أعلى من قوة الانحناء للأنبوب المربع مقاس 75×75 مم.

الأنبوب المربع: عزم القصور الذاتي هو نفسه في جميع الاتجاهات، وأداء الانحناء متماثل، ولكن قيمته عادة ما تكون أصغر من قيمة اتجاه الجانب الطويل للأنبوب المستطيل تحت نفس مساحة المقطع العرضي.

النتيجة: إذا كان اتجاه الحمل واضحًا (مثل هيكل الشعاع)، فإن الأنبوب المستطيل يكون أفضل؛ إذا كان اتجاه الحمل متغيرًا، فإن الأنبوب المربع يكون أكثر توازناً.

قوة الالتواء:
ثبات الالتواء للأنبوب المربع أعلى، وتوزيع إجهاد الالتواء أكثر انتظامًا، ومقاومة الالتواء أفضل من مقاومة الأنبوب المستطيل. على سبيل المثال، مقاومة الالتواء للأنبوب المربع بأبعاد 75×75 مم أقوى بكثير من مقاومة الالتواء للأنبوب المستطيل بأبعاد 100×50 مم.
النتيجة: عندما يكون الحمل الالتوائي هو المسيطر (مثل عمود ناقل الحركة)، فإن الأنابيب المربعة تكون أفضل.

2. الصلابة (القدرة على مقاومة التشوه)

صلابة الانحناء:
تتناسب الصلابة طرديًا مع عزم القصور الذاتي. تتميز الأنابيب المستطيلة بصلابة أعلى في اتجاه الجانب الطويل، وهو ما يناسب الحالات التي تتطلب مقاومة الانحراف أحادي الاتجاه (مثل عوارض الجسور).
تتمتع الأنابيب المربعة بصلابة ثنائية الاتجاه متماثلة وهي مناسبة للأحمال متعددة الاتجاهات (مثل الأعمدة).
الخلاصة: تعتمد متطلبات الصلابة على اتجاه الحمل. اختر الأنابيب المستطيلة للأحمال أحادية الاتجاه، والمربعة للأحمال ثنائية الاتجاه.

3. الاستقرار (مقاومة الانبعاج)

الانبعاج المحلي:
عادةً ما يكون للأنابيب المستطيلة نسبة عرض إلى سمك أكبر، وتكون الأجزاء ذات الجدران الرقيقة أكثر عرضة للانبعاج الموضعي، وخاصة تحت أحمال الضغط أو القص.
تتمتع الأنابيب المربعة باستقرار محلي أفضل بسبب مقطعها العرضي المتماثل.
الانبعاج الكلي (انبعاج أويلر):
يرتبط حمل الانبعاج بأدنى نصف قطر دوران للمقطع العرضي. يكون نصف قطر دوران الأنابيب المربعة متساويًا في جميع الاتجاهات، بينما يكون نصف قطر دوران الأنابيب المستطيلة في الجانب القصير أصغر، مما يجعلها أكثر عرضة للانبعاج.
النتيجة: يفضل استخدام الأنابيب المربعة للعناصر الضاغطة (مثل الأعمدة)؛ إذا كان الاتجاه الجانبي الطويل للأنبوب المستطيل مقيدًا، فيمكن تعويضه بالتصميم.

4. قدرة التحمل (الأحمال المحورية والمشتركة)

الضغط المحوري:
ترتبط قدرة التحمل بمساحة المقطع العرضي ونسبة النحافة. ​​عند نفس مساحة المقطع العرضي، تتمتع الأنابيب المربعة بقدرة تحمل أعلى بفضل نصف قطر دورانها الأكبر.
الحمل المشترك (الضغط والانحناء المشترك):
يمكن للأنابيب المستطيلة الاستفادة من التصميم الأمثل عندما يكون اتجاه عزم الانحناء واضحًا (مثل الحمل الرأسي على الجانب الطويل)؛ وتكون الأنابيب المربعة مناسبة لعزم الانحناء ثنائي الاتجاه.

5. عوامل أخرى

استخدام المواد:
تعتبر الأنابيب المستطيلة أكثر كفاءة وتوفر المواد عند تعرضها للانحناء أحادي الاتجاه؛ وتعتبر الأنابيب المربعة أكثر اقتصادا تحت الأحمال متعددة الاتجاهات.
راحة الاتصال:
بسبب تماثل الأنابيب المربعة، تكون توصيلات العقد (مثل اللحام والمسامير) أبسط؛ وتحتاج الأنابيب المستطيلة إلى مراعاة الاتجاهية.
سيناريوهات التطبيق:
الأنابيب المستطيلة: عوارض البناء، أذرع الرافعة، هيكل السيارة (اتجاه الحمل الواضح).
الأنابيب المربعة: أعمدة المباني، الجمالونات الفضائية، الإطارات الميكانيكية (الأحمال متعددة الاتجاهات).


وقت النشر: ٢٨ مايو ٢٠٢٥