以下是关于一个谷物储藏仓的信息。 谷物储藏仓
项目数值
高度 (h)6880 mm
直径 (d)4550 mm
质量1100 kg
安全信息:该储藏仓最多可装载至其总容积的 85%。 在本题中,该谷物储藏仓可以建模为一个直圆柱体和一个直圆锥体顶部的组合。圆锥形顶部的高度是储藏仓半径的一半。

  1. ((a))

    计算该谷物储藏仓底面积的大小,以平方米为单位。

    答案 ... m^2

  2. ((b))

    计算该谷物储藏仓体积的大小,以立方米为单位。

    答案 ... m^3

  3. ((c))

    储藏仓的装载量绝不超过其安全容量。

    如果其对下方地面产生的每平方米总重力大于 20 kN/m^2,则需要一个特殊的承重支撑结构。

    已知该模型低估了储藏仓的实际储存能力,那么该储藏仓是否需要特殊的承重支撑结构?请通过计算说明你的结论。

    答案

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完整解法

11((a))

1. Find the base area using the radius in metres

Diameter =4550 mm=4.55 m=4550\text{ mm}=4.55\text{ m}

Radius r=4.552=2.275 mr=\dfrac{4.55}{2}=2.275\text{ m}

Area of base
A=πr2=π(2.275)2=16.258…A=\pi r^2=\pi(2.275)^2=16.258\ldots

A≈16.3 m2A\approx 16.3\text{ m}^2

答案

16.3 m216.3\text{ m}^2

11((b))

1. Find the radius and the separate heights of the cone and cylinder in metres

d=4550 mm=4.55 md=4550\text{ mm}=4.55\text{ m}

r=4.552=2.275 m r=\dfrac{4.55}{2}=2.275\text{ m}

Cone height =12r=12(2.275)=1.1375 m=\dfrac{1}{2}r=\dfrac{1}{2}(2.275)=1.1375\text{ m}

Cylinder height =6.880−1.1375=5.7425 m=6.880-1.1375=5.7425\text{ m}

2. Calculate the volume of the cylindrical part

Volume of cylinder =πr2h=\pi r^2h

=π(2.275)2(5.7425)=\pi(2.275)^2(5.7425)

=93.369… m3=93.369\ldots\text{ m}^3

3. Calculate the volume of the conical top and add it to the cylinder volume

Volume of cone =13πr2h=\dfrac{1}{3}\pi r^2h

=13π(2.275)2(1.1375)=\dfrac{1}{3}\pi(2.275)^2(1.1375)

=6.165… m3=6.165\ldots\text{ m}^3

Total volume =93.369…+6.165…=99.534… m3=93.369\ldots+6.165\ldots=99.534\ldots\text{ m}^3

≈99.5 m3\approx 99.5\text{ m}^3

答案

99.5 m399.5\text{ m}^3

11((c))

1. Find the safe volume of grain using the 85% fill limit

From part (b), the modelled volume of the bin is 99.5 m399.5\text{ m}^3.

Safe volume=85%×99.5\text{Safe volume}=85\%\times 99.5

=0.85×99.5=84.575 m3=0.85\times 99.5=84.575\text{ m}^3

2. Find the mass of grain at the safe volume

Density of grain =410 kg/m3=410\text{ kg/m}^3.

Mass of grain=84.575×410\text{Mass of grain}=84.575\times 410

=34675.75 kg=34675.75\text{ kg}

3. Add the mass of the empty bin to get the total mass

Mass of empty bin =1100 kg=1100\text{ kg}.

Total mass=34675.75+1100\text{Total mass}=34675.75+1100

=35775.75 kg=35775.75\text{ kg}

4. Convert the total mass to weight in kN

Given that 1000 kg1000\text{ kg} is equivalent to 9.81 kN9.81\text{ kN},

Weight=35775.751000×9.81\text{Weight}=\frac{35775.75}{1000}\times 9.81

=350.56 kN approximately=350.56\text{ kN}\text{ approximately}

5. Find the total weight per square metre on the ground

From part (a), the base area is 16.3 m216.3\text{ m}^2.

Weight per square metre=350.5616.3\text{Weight per square metre}=\frac{350.56}{16.3}

=21.5 kN/m2 approximately=21.5\text{ kN/m}^2\text{ approximately}

6. Compare with the limit and justify using the underestimation statement

21.5 kN/m2>20 kN/m221.5\text{ kN/m}^2>20\text{ kN/m}^2

The calculated value is already greater than the limit. Also, the model is an underestimation of the actual storage capacity, so the actual maximum grain weight would be greater than this calculated value.

答案

Yes. The calculated total weight per square metre is about 21.5 kN/m221.5\text{ kN/m}^2, which is already greater than 20 kN/m220\text{ kN/m}^2. Since the model underestimates the actual storage capacity, the actual value would be even greater, so the bin needs a special load-bearing support structure.

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