Materiaalin valinta

Materiaalin valinta on yksi rakenteen suunnittelun vaiheista [1] . Tuotetta kehitettäessä materiaalin valinnan päätavoitteena on usein minimoida kustannukset samalla, kun saavutetaan osalle määritetyt vaatimukset, kuten korkea jäykkyys, pieni paino ja niin edelleen, riippuen tuotteen käyttötarkoituksesta [1] . Siten lämmönvaihtimen osilla, jotka erottavat väliaineet, on oltava korkea lämmönjohtavuus lämmönsiirron maksimoimiseksi ja alhaiset kustannukset , jotta lämmönvaihdin olisi kilpailukykyinen [2] .

Olennaista on, että suunnittelija tuntee perusteellisesti materiaalien ominaisuudet ja käyttäytymisen käytössä. Eräitä tärkeitä kriteereitä materiaalien valinnassa ovat lujuus, jäykkyys, tiheys, lämmönkestävyys, korroosionkestävyys, koneistettavuus, hitsattavuus, karkenevuus, sähkönjohtavuus jne. [3]

Useita kriteereitä vaativien tuotteiden materiaalinvalintamenetelmä on monimutkaisempi kuin yhden kriteerin osalta. Esimerkiksi tuote, jonka on oltava jäykkä ja kevyt, vaatii materiaalin, jolla on korkea kimmokerroin ja pieni tiheys . Jos puhumme jännityksessä olevasta sauvasta, materiaalin valinnan optimaalisen kriteerin määrittämiseksi tarvitaan uusi ominaisuus. Tässä tapauksessa ominaisjäykkyys on kimmomoduulin suhde tiheyteen . Jos puhumme taivutuspalkista, optimaalinen kriteeri materiaalin valinnalle määritetään ottaen huomioon poikkileikkaus, ja se vastaa suhdetta [4] . Kevyellä ja jäykällä levyllä suhde on muotoa , koska taipuma riippuu paksuudesta kolmanteen potenssiin. Tätä materiaalin valintakriteeriä kutsutaan tehokkuusindeksiksi. [5] $E/\rho$ ${\sqrt[{2}]{E}}/\rho$ ${\sqrt[{3}]{E}}/\rho$

Ashby-kaaviot

Ashby- kaavio on kuplakaavio , joka näyttää kaksi tai useampia materiaalien tai materiaaliluokkien ominaispiirteitä [5] . Näitä kaavioita käytetään vertailemaan eri materiaaliominaisuuksien välisiä suhteita. Esimerkiksi edellä käsitellylle jäykkään ja kevyelle tangolle on tarpeen piirtää kimmomoduuli toiselle akselille ja tiheys toiselle. Itse kaavioon on asetettava soikeat, jotka kuvaavat ehdokasmateriaalien ominaisuuksien leviämistä. Tällaisesta kaaviosta on helppo löytää paitsi materiaali, jolla on suurin jäykkyys tai materiaali, jolla on pienin tiheys, myös materiaali, jolla on paras suhde . Logaritmisen asteikon käyttäminen molemmilla akseleilla voi helpottaa kaavioiden analysointia ja materiaalin valintaa. $E/\rho$

Oikealla oleva yläkaavio näyttää kimmomoduulin ja tiheyden välisen suhteen lineaarisella asteikolla. Alla oleva kaavio esittää samat materiaaliominaisuudet logaritmisella asteikolla. Eri värit näyttävät eri materiaaliluokkia (polymeerit, vaahdot, metallit jne.) [6] .

Niinpä polttoaineiden hintojen nousun ja uusien teknologioiden kehittymisen vuoksi autoteollisuudessa teräs korvataan kevyillä magnesium- ja alumiiniseoksilla , lentokoneiden rakentamisessa alumiini hiilikuidulla ja titaaniseoksilla , ja satelliitteja on valmistettu pitkään eksoottiset komposiittimateriaalit .

Materiaalin massayksikköhinta ei tietenkään ole ainoa merkittävä tekijä materiaalia valittaessa. Tärkeä käsite on tehokkuusindeksin suhde materiaalin massayksikkökustannuksiin. Jos esimerkiksi kevyen ja jäykän levyn suunnitteluun lisätään kustannuskriteeri edellä kuvatulla tavalla, tarvitaan materiaalia, jolla on optimaalinen tiheyden, moduulin ja hinnan yhdistelmä. Tämä ominaisuuksien suhde voidaan heijastaa Ashby-kaaviossa - suhde on piirretty toiselle akselille ja massayksikköhinta on piirretty toiselle. ${\sqrt[{3}]{E}}/\rho$

Useiden materiaaliominaisuuksien ja kustannustehokkuuden yhdistelmien optimointi on monimutkainen prosessi, jota on vaikea tehdä manuaalisesti. Siksi tarvitaan erityisiä ohjelmistoja, jotka sisältävät suuren kirjaston materiaalien ominaisuuksia, tietoa niiden kustannuksista, materiaalin valintametodologiaa ja analyysityökaluja [7] .

Yleistetty menetelmä Ashby-kaavion rakentamiseen

Kun piirretään useita materiaaliominaisuuksien yhdistelmiä, määritetään kolme erilaista muuttujajoukkoa:

Materiaalimuuttujat ovat materiaalille luontaisia ominaisuuksia, kuten tiheys, kimmokerroin, myötöraja ja niin edelleen.
Vapaat muuttujat ovat suureita, jotka voivat muuttua rakenteen suunnittelun aikana. Esimerkiksi palkin pituutta ei ole määritelty toimeksiannossa ja suunnittelija voi muuttaa sitä oman harkintansa mukaan.
Kiinteät muuttujat ovat rakenteelle asetettuja rajoituksia. Esimerkiksi tiukasti määritelty palkin paksuus tai vahvistettu sallittu taipuma.

Näistä muuttujista johdetaan tehokkuusindeksin yhtälö . Tämä yhtälö on materiaalin valintakriteeri ja määrittää, kuinka tehokas materiaali on tietyssä sovelluksessa. Tuloksena saatu tehokkuusindeksi piirretään kaavioon. Kaavion analyysin avulla voit määrittää, mikä materiaali on tehokkain. Pääsääntöisesti korkea hyötysuhde osoittaa materiaalin tehokkaamman käytön.

Esimerkki Ashby-kaavion käytöstä

Tässä esimerkissä materiaalia jännitetään ja taivutetaan . Materiaalin valinnan tarkoituksena on määrittää materiaali, joka toimii hyvin molemmissa kuormaustapauksissa.

Vetotehoindeksi

Ensimmäisessä tilanteessa sauvaan vaikuttaa sen oma paino ja vetovoima . Materiaalimuuttujat ovat tiheys ja jännitykset . Oletetaan, että pituus ja vetovoima on määritelty spesifikaatiossa, jolloin ne ovat kiinteitä muuttujia. Lopuksi poikkileikkauspinta-ala on vapaa muuttuja. Tässä asetuksessa tavoitteena on minimoida massa valitsemalla materiaali, jossa on optimaalinen materiaalimuuttujien yhdistelmä - . Kuva 1 havainnollistaa tätä tehtävää. $w$ $P$ $\rho$ $\sigma$ $L$ $P$ $A$ $w$ $\rho ,\sigma$

Tangon jännitys määräytyy suhteesta ja massa suhteesta . Tehokkuusindeksin saamiseksi on välttämätöntä poistaa suhteesta kaikki vapaat muuttujat jättäen vain kiinteät muuttujat ja materiaalimuuttujat. Tässä tapauksessa alue on poistettava suhteesta . Vetojännitysyhtälö voidaan ilmaista muodossa . Kun korvaamme massan suhteessa saadun, saamme . Lisäksi materiaalimuuttujat ja kiinteät muuttujat ryhmitellään erikseen: . $P/A$ $w=\rho AL$ $A$ $A=P/\sigma$ $A$ $w=\rho (P/\sigma )L=\rho LP/\sigma$ $w=(\rho /\sigma )LP$

Muuttujat ja voidaan poistaa lopullisesta suhteesta, koska ne ovat kiinteitä eikä niitä voi muuttaa suunnitteluprosessin aikana. Tässä tapauksessa tavoitesuhde on muotoa . Koska tavoitteena on vähentää massaa , tuloksena oleva suhde tulisi myös pitää minimissä. Oletetaan kuitenkin, että tehokkuusindeksi on parametri, joka maksimoidaan. Siksi tehokkuusindeksi tulee muotoon . $L$ $P$ $\rho /\sigma$ $w$ $\rho /\sigma$ $P_{cr}=\sigma /\rho$

Taivutustehoindeksi

Toisessa tilanteessa materiaali altistetaan taivutusmomenteille. Maksimijännitysten yhtälö taivutuksessa on muotoa , jossa on taivutusmomentti, on etäisyys neutraalista akselista, on poikkileikkauksen hitausmomentti. Kuorman sovelluskaavio on esitetty kuvassa 2. Käyttämällä yllä olevaa massalle relaatiota ja ratkaisemalla se vapaille muuttujille, saadaan relaatio , jossa on palkin pituus ja korkeus. Jos , , ja ovat kiinteitä muuttujia, taivutustehokkuusindeksi on muotoa . $\sigma =(-Oma)/I$ $M$ $y$ $minä$ $w={\sqrt {6MbL^{2))}(\rho /{\sqrt {\sigma )))$ $L$ $b$ $b$ $L$ $M$ $P_{cr}={\sqrt {\sigma }}/\rho$

Parhaan materiaalin valitseminen kahdelle kuormakotelolle

Saatiin kaksi hyötysuhdeindeksiä: jännitystapaukselle ja taivutustapaukselle . Ensimmäinen askel on rakentaa Ashby-diagrammi, jossa logaritmisella asteikolla piirretään tiheys toiselle akselille ja lujuus toiselle akselille ja piirretään analysoitavien materiaalien ominaisuudet. $\sigma /\rho$ ${\sqrt {\sigma }}/\rho$

Venytystapauksessa ensimmäinen askel on erottaa logaritmi suhteen molemmilta puolilta. Tuloksena oleva yhtälö voidaan esittää muodossa . Suhde näyttää tältä . Tämä tarkoittaa, että suhde on lineaarinen , kun se näytetään logaritmisella asteikolla. Leikkauspiste y-akselin kanssa on logaritmi . Jos piirrät tämän viivan Ashby-kaavioon, kaikilla materiaaleilla, joiden läpi tämä viiva kulkee, on sama tehokkuusindeksi. Mitä korkeampi viiva on y-akselilla, sitä korkeampi hyötysuhde. Esimerkissä arvoksi otetaan 0,1, jotta viiva kulkee materiaalin, jolla on korkein hyötysuhde - boorikarbidi , läpi (kuva 3). $P_{cr}=\sigma /\rho$ $\log(\sigma )=\log(\rho )+\log(P_{cr})$ ${\näyttötyyli y=x+b}$ $P_{cr}$ $P_{cr}$

Logaritmien tehoominaisuuksia käyttämällä taivutuksen suhde voidaan muuntaa samalla tavalla. Suhde saa muotoa . Yllä olevassa kappaleessa kuvattua lähestymistapaa käyttämällä saadaan, että mutkalle on ≈ 0,0316 (kuva 3). $P_{cr}={\sqrt {\sigma }}/\rho$ $\log(\sigma )=2\times (\log(\rho )+\log(P_{cr}))$ $P_{cr}$

Kaavion analyysistä voidaan nähdä, että suurin hyötysuhde kireystapauksessa on boorikarbidilla; taivutustapauksessa - vaahtomuovilla ja boorikarbidilla. Näin ollen boorikarbidi on paras materiaali veto- ja taivutussovelluksiin. Tekninen keramiikka on kuitenkin melko kallista materiaalia. Tämän tosiasian huomioon ottaen paras vaihtoehto olisi materiaali, jolla on alhaisempi tehokkuusindeksi, mutta halvempi - hiilikuituvahvistettu muovi (CFRP).

Muistiinpanot

↑ 1 2 Dieter, George E.,. Tekninen suunnittelu . – 4. painos - Boston: McGraw-Hill Higher Education, 2009. - S. 460. - 956 s. - ISBN 978-0-07-283703-2 .
↑ Christian Okafor, Alex Tagbo, Obiora Obiafudo, Emmanuel Nwadike. Rinnakkaisvirtauslämmönvaihtimen materiaalin valinta ja nestevirtausanalyysi // Archives of Current Research International. – 10.1.2016. - T. 6 , no. 3 . - S. 1-14 . - doi : 10.9734/ACRI/2016/30239 . Arkistoitu alkuperäisestä 2. kesäkuuta 2018.
↑ Yleiset konesuunnittelun huomiot arkistoitu 15. huhtikuuta 2019 Wayback Machinessa , Mechanical Engineering Community & Discussion, haettu 15.4.2018 .
↑ Chumak P.I., Krivokrysenko V.F. Ultrakevyiden lentokoneiden laskenta, suunnittelu ja rakentaminen / Toim. M. E. Orekhova .. - M. : Patriot, 1991. - S. 87. - 238 s.
↑ 12 Ashby , Michael Materiaalien valinta mekaanisessa suunnittelussa (määrittelemätön) . – 3. Burlington, Massachusetts: Butterworth-Heinemann, 1999. - ISBN 0-7506-4357-9 .
↑ Ashby, Michael F. Materiaalien valinta mekaanisessa suunnittelussa . USA: Elsevier Ltd. , 2005. - S. 251 . - ISBN 978-0-7506-6168-3 .
↑ MB Babanli, F. Prima, P. Vermaut, LD Demchenko, AN Titenko. Materiaalinvalintamenetelmät: Katsaus // 13th International Conference on theory and Application of Fuzzy Systems and Soft Computing - ICAFS-2018 / Rafik A. Aliev, Janusz Kacprzyk, Witold Pedrycz, Mo. Jamshidi, Fahreddin M. Sadikoglu. - Cham: Springer International Publishing, 2019. - T. 896 . - S. 929-936 . - ISBN 9783030041632 , 9783030041649 . - doi : 10.1007/978-3-030-04164-9_123 .