Anyagválasztás

Az anyagválasztás a szerkezet tervezési folyamatának egyik szakasza [1] . Egy termék kifejlesztése során az anyagválasztás fő célja gyakran a költségek minimalizálása, miközben az alkatrészre vonatkozó meghatározott követelmények, például nagy merevség, kis tömeg stb., a termék rendeltetésétől függően teljesülnek [1] . Így a hőcserélő közegeket elválasztó részeinek magas hővezető képességgel kell rendelkezniük a hőátadás maximalizálása érdekében, és alacsony költséggel kell rendelkezniük ahhoz, hogy a hőcserélő versenyképes legyen [2] .

Elengedhetetlen, hogy a tervezőmérnök alapos ismeretekkel rendelkezzen az anyagok tulajdonságairól és azok üzem közbeni viselkedéséről. Az anyagok kiválasztásának néhány fontos kritériuma a szilárdság, merevség, sűrűség, hőállóság, korrózióállóság, megmunkálhatóság, hegeszthetőség, edzhetőség, elektromos vezetőképesség stb. [3]

A több kritériumot megkövetelő termékek anyagkiválasztási módszertana bonyolultabb, mint az egyetlen kritérium esetében. Például egy olyan termékhez, amelynek merevnek és könnyűnek kell lennie, nagy rugalmassági modulusú és alacsony sűrűségű anyagra van szükség . Ha feszültségnek kitett rúdról beszélünk, akkor az anyagválasztás optimális kritériumának meghatározásához új jellemzőre van szükség. Ebben az esetben a fajlagos merevség a rugalmassági modulus és a sűrűség aránya . Ha hajlító gerendáról beszélünk, az anyagválasztás optimális kritériumát a keresztmetszet figyelembevételével határozzuk meg, és megfelel az aránynak [4] . Könnyű és merev lemez esetén az arány a következőt veszi fel , mivel az elhajlás a vastagságtól függ a harmadik hatványig. Ezt az anyagválasztási kritériumot hatékonysági indexnek nevezzük. [5] $E/\rho$ ${\sqrt[{2}]{E}}/\rho$ ${\sqrt[{3}]{E}}/\rho$

Ashby diagramok

Az Ashby- diagram egy buborékdiagram , amely az anyagok vagy anyagosztályok két vagy több jellemzőjét jeleníti meg [5] . Ezek a diagramok a különböző anyagtulajdonságok közötti kapcsolatok összehasonlítására szolgálnak. Például egy merev és könnyű rúd esetében, amelyet fent tárgyaltunk, meg kell ábrázolni a rugalmassági modulust az egyik tengely mentén, és a sűrűséget a másik tengely mentén. Magára a diagramra oválisokat kell feltenni, jellemezve a jelölt anyagok tulajdonságainak terjedését. Egy ilyen grafikonon nemcsak a legnagyobb merevségű vagy a legkisebb sűrűségű anyagot könnyű megtalálni, hanem a legjobb arányú anyagot is . Mindkét tengelyen logaritmikus skála használata megkönnyítheti a diagramelemzést és az anyagválasztást. $E/\rho$

A jobb oldali felső diagram a rugalmassági modulus és a sűrűség közötti összefüggést mutatja lineáris skálán. Az alábbi diagram ugyanazokat az anyagtulajdonságokat mutatja logaritmikus skálán. A különböző színek az anyagok különböző osztályait mutatják (polimerek, habok, fémek stb.) [6] .

Tehát az emelkedő üzemanyagárak és az új technológiák fejlődése miatt az autóiparban az acélt könnyű magnézium- és alumíniumötvözetekre , a repülőgépgyártásban az alumíniumot szénszálakra és titánötvözetekre cserélik, a műholdakat pedig régóta gyártják egzotikus kompozit anyagok .

Az anyagválasztásnál természetesen nem az anyagegységenkénti ár az egyetlen jelentős tényező. Fontos fogalom a hatékonysági index és az egységnyi tömegű anyagköltség aránya. Például, ha a fentiek szerint egy könnyű és merev lemez tervezésénél költségkritériumot adnak hozzá, akkor a sűrűség, a modulus és az ár optimális kombinációjával rendelkező anyagra lesz szükség. A tulajdonságok ezen aránya tükröződik az Ashby-diagramon - az arány az egyik tengely mentén, a tömegegység ára pedig a másik tengely mentén van ábrázolva. ${\sqrt[{3}]{E}}/\rho$

Az anyagtulajdonságok és a költséghatékonyság többféle kombinációjának optimalizálása összetett folyamat, amelyet nehéz kézzel elvégezni. Ezért szükség van egy speciális szoftverre, amely az anyagtulajdonságok nagy könyvtárát, a költségekkel kapcsolatos információkat, az anyagkiválasztás módszertanát és az elemző eszközöket tartalmazza majd [7] .

Egy általánosított módszer Ashby-diagram felépítésére

Az anyagtulajdonságok több kombinációjának ábrázolásakor három különböző változókészlet van meghatározva:

Az anyagváltozók az anyagban rejlő tulajdonságok, mint például a sűrűség, a rugalmassági modulus, a folyáshatár stb.
A szabad változók olyan mennyiségek, amelyek a szerkezet tervezése során változhatnak. Például a gerenda hossza nincs meghatározva a feladatmeghatározásban, és azt a tervező saját belátása szerint módosíthatja.
A rögzített változók olyan kényszerek, amelyek egy konstrukcióra vonatkoznak. Például egy szigorúan meghatározott gerendavastagság vagy egy megállapított megengedett elhajlás.

Ezekből a változókból levezetjük a hatékonysági index egyenletét . Ez az egyenlet egy anyagkiválasztási kritérium, és számszerűsíti, hogy egy anyag mennyire lesz hatékony egy adott alkalmazáshoz. Az eredményül kapott hatékonysági indexet diagramon ábrázoljuk. A diagram elemzése lehetővé teszi annak meghatározását, hogy melyik anyag a leghatékonyabb. A magas hatékonysági index általában az anyag hatékonyabb felhasználását jelzi.

Példa az Ashby-diagram használatára

Ebben a példában az anyag feszítésnek és hajlításnak van kitéve . Az anyagválasztás célja olyan anyag meghatározása, amely mindkét rakodási esetben jól teljesít.

Szakítószilárdsági index

Az első helyzetben a rudat saját súlya és húzóereje befolyásolja . Az anyagváltozók a sűrűség és a feszültségek. Tegyük fel, hogy a hossz és a húzóerő a specifikációban meg van adva, ebben az esetben ezek rögzített változók. Végül a keresztmetszeti terület szabad változó. Ennél a beállításnál a tömeg minimalizálása a cél az anyagváltozók optimális kombinációjával - . Az 1. ábra szemlélteti ezt a feladatot. $w$ $P$ $\rho$ $\sigma$ $L$ $P$ $A$ $w$ $\rho ,\sigma$

A rúd feszültségét az arány határozza meg , a tömeget pedig az arány . A hatékonysági index eléréséhez az összes szabad változót el kell távolítani az arányból, csak a rögzített változókat és az anyagi változókat kell meghagyni. Ebben az esetben a területet el kell távolítani az arányból . A húzófeszültség-egyenlet a következővel fejezhető ki . Ha az arányban kapott tömeget helyettesítjük, azt kapjuk . Továbbá az anyagváltozók és a rögzített változók külön csoportosítva vannak: . $P/A$ $w=\rho AL$ $A$ $A=P/\sigma$ $A$ $w=\rho (P/\sigma )L=\rho LP/\sigma$ $w=(\rho /\sigma )LP$

A változók és eltávolíthatók a végső arányból, mivel rögzítettek, és nem módosíthatók a tervezési folyamat során. Ebben az esetben a célarány alakja . Mivel a cél a tömeg csökkentése , a kapott arányt is minimálisra kell csökkenteni. Feltételezzük azonban, hogy a hatékonysági index a maximalizált paraméter. Ezért a hatékonysági index a következőt ölti majd: . $L$ $P$ $\rho /\sigma$ $w$ $\rho /\sigma$ $P_{cr}=\sigma /\rho$

Hajlítási hatékonysági index

A második helyzetben az anyag hajlítónyomatékoknak van kitéve. A maximális hajlítási feszültségek egyenlete a következő alakú : ahol a hajlítónyomaték, a semleges tengelytől való távolság, a szakasz tehetetlenségi nyomatéka. A terhelés alkalmazási sémája a 2. ábrán látható. A fenti összefüggést felhasználva a tömegre és szabad változókra megoldva a relációt kapjuk , ahol a gerenda hossza és magassága. Ha , , és fix változók, akkor a hajlítási hatékonysági index alakja . $\sigma =(-Saját)/I$ $M$ $y$ $én$ $w={\sqrt {6MbL^{2))}(\rho /{\sqrt {\sigma )))$ $L$ $b$ $b$ $L$ $M$ $P_{cr}={\sqrt {\sigma }}/\rho$

A legjobb anyag kiválasztása a két töltethez

Két hatékonysági mutatót kaptunk: a feszültség esetére és a hajlítás esetére . Az első lépés egy Ashby-diagram felépítése, ahol logaritmikus skálán ábrázoljuk az egyik tengely mentén a sűrűséget, a másikon pedig a szilárdságot, és ábrázoljuk az elemzett anyagok tulajdonságait. $\sigma /\rho$ ${\sqrt {\sigma }}/\rho$

A nyújtás esetén az első lépés a logaritmus kinyerése az arány mindkét oldaláról. Az eredményül kapott egyenlet a következőképpen ábrázolható . Az arány így néz ki . Ez azt jelenti, hogy az arány lineáris , ha logaritmikus skálán jelenítjük meg. Az y tengellyel való metszéspont a logaritmus . Ha ezt a vonalat ábrázolja az Ashby-diagramon, akkor minden olyan anyagnak, amelyen ez a vonal áthalad, ugyanaz a hatékonysági indexe. Minél magasabban helyezkedik el a vonal az y tengely mentén, annál nagyobb a hatékonysági index. A példában az értéket 0,1-nek vettük, így a vonal a legmagasabb hatékonysági indexű anyagon - a bór-karbidon - halad át (3. ábra). $P_{cr}=\sigma /\rho$ $\log(\sigma )=\log(\rho )+\log(P_{cr})$ $y=x+b$ $P_{cr}$ $P_{cr}$

A logaritmusok hatványtulajdonságait felhasználva a hajlítási relációt hasonló módon alakíthatjuk át. Az arány a következő formában lesz: . A fenti bekezdésben leírt megközelítéssel azt kapjuk, hogy a hajlítás ≈ 0,0316 (3. ábra). $P_{cr}={\sqrt {\sigma }}/\rho$ $\log(\sigma )=2\times (\log(\rho )+\log(P_{cr}))$ $P_{cr}$

A diagram elemzéséből látható, hogy a legnagyobb hatékonysági index a feszítés esetére a bór-karbidra esik; hajlítás esetére - habos műanyagokra és bór-karbidra. Így a bór-karbid a legjobb anyag a szakító és hajlító alkalmazásokhoz. A műszaki kerámiák azonban meglehetősen drága anyagok. Figyelembe véve ezt a tényt, a legjobb megoldás egy alacsonyabb hatékonysági indexű, de olcsóbb anyag - szénszál-erősítésű műanyag (CFRP).

Jegyzetek

↑ 1 2 Dieter, George E.,. Mérnöki tervezés . — 4. kiadás. - Boston: McGraw-Hill Higher Education, 2009. - P. 460. - 956 p. - ISBN 978-0-07-283703-2 .
↑ Christian Okafor, Alex Tagbo, Obiora Obiafudo, Emmanuel Nwadike. Párhuzamos áramlású hőcserélő anyagválasztása és folyadékáramlás-elemzése // Archives of Current Research International. — 2016-01-10. - T. 6 , sz. 3 . - S. 1-14 . - doi : 10.9734/ACRI/2016/30239 . Archiválva az eredetiből 2018. június 2-án.
↑ A géptervezés általános szempontjai archiválva : 2019. április 15., a Wayback Machine , Mechanical Engineering Community & Discussion, letöltve: 2018-04-15 .
↑ Chumak P.I., Krivokrysenko V.F. Ultrakönnyű repülőgépek számítása, tervezése és építése / Szerk. M. E. Orekhova .. - M . : Patriot, 1991. - S. 87. - 238 p.
↑ 12 Ashby , Michael Anyagválasztás a gépészeti tervezésben (határozatlan idejű) . — 3. Burlington, Massachusetts: Butterworth-Heinemann, 1999. - ISBN 0-7506-4357-9 .
↑ Ashby, Michael F. Anyagválasztás a mechanikai tervezésben . USA: Elsevier Ltd. , 2005. - S. 251 . - ISBN 978-0-7506-6168-3 .
↑ MB Babanli, F. Prima, P. Vermaut, LD Demcsenko, AN Titenko. Material Selection Methods: A Review // 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 .