PROJEKT I BUDOWA STANOWISKA DO POMIARÓW ODKSZTAŁCEŃ PROFILI ZE STOPÓW METALI NIEŻELAZNYCH

Transkrypt

1 Mateusz Marzec, Seweryn Łapaj, Nicole Respondek, dr inż. Marcin Kubiak, dr inż. Tomasz Domański Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki, Instytut Mechaniki i Podstaw Konstrukcji Maszyn Studenckie Koło Naukowe Mechaniki Stosowanej PROJEKT I BUDOWA STANOWISKA DO POMIARÓW ODKSZTAŁCEŃ PROFILI ZE STOPÓW METALI NIEŻELAZNYCH Streszczenie: Praca dotyczy projektowania i wykonania stanowiska do pomiarów odkształceń profili z metali nieżelaznych, takich jak: kątowniki, ceowniki, teowniki i prostokątne profile zamknięte ze stopów aluminium. Przedstawiono fazę badawczą, projektową oraz wykonawczą wspomnianego stanowiska wraz z niezbędnymi detalami. Słowa kluczowe: aluminium, Autodesk Inventor, moduł Younga, naprężenia, odkształcenia, przemieszczenia. Wprowadzenie Profile ze stopów metali nieżelaznych, takich jak aluminium, znajdują zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu ze względu na ich łatwą obrabialność, długą żywotność przy niskich nakładach na konserwację oraz, co bardzo istotne, korzystny stosunek wytrzymałości do ciężaru []. Profile te są wykorzystywane m.in. do produkcji ram okiennych, do zabudowy skrzyń ładunkowych samochodów dostawczych oraz jako elementy wykończenia mebli. Jednak ich atrybuty w pełni wykorzystuje się budując wiaty, rusztowania, ramy, np. wyczynowe ramy rowerowe, maszty żaglówek oraz szkielety hal namiotowych. To tam krytyczne znaczenie ma wytrzymałość oraz ciężar tego budulca. Aby móc wykorzystywać profile ze stopów metali nieżelaznych do takich zastosowań, należy dogłębnie poznać ich właściwości. Istotnym zagadnieniem jest reakcja profili na obciążenie statyczne, odkształcalność i wytrzymałość stopu. Aby umożliwić zbadanie wymienionych problemów, Studenckie Koło Naukowe Mechaniki Stosowanej zaprojektowało i zbudowało stanowisko do pomiaru odkształceń profili ze stopów metali nieżelaznych. Badania doświadczalne W Laboratorium Wytrzymałości Materiałów Instytutu Mechaniki i Podstaw Konstrukcji Maszyn przeprowadzono statyczną próbę rozciągania (Rys. ) wg normy PN-EN ISO W tym celu wykorzystano maszynę wytrzymałościową ZWICK/ROELL Z00. Badanym materiałem był stop aluminium AlMgSi wg ISO, czyli PA8 wg PN lub AW 6060 wg EN, z którego zostały wykonane profile.

2 Celem próby było wyznaczenie modułu sprężystości podłużnej (modułu Younga), granicy plastyczności i wytrzymałości na rozciąganie - danych materiałowych wykorzystywanych w obliczeniach analitycznych. Uśredniona wartość modułu Younga z prób wyniosła E=64, GPa. Rysunek 2 przedstawia zależność siły od wydłużenia próbki podczas jednej z wykonanych prób. Rys.. Statyczna próba rozciągania Rys. 2. Wykres zależność siły od wydłużenia próbki (F L)

3 Modelowanie matematyczne ugięcia belki Wykorzystując metody analityczne wyznaczono przemieszczenia pionowe (ugięcia) badanej belki, które jako dane wejściowe zostały wykorzystane w projekcie stanowiska, ponieważ od nich zależał dobór wysokości podpory i zamocowania. W dwóch analizowanych układach (Rys. ) założono przypadki podparcia i obciążenia, przy których uzyskuje się maksymalne ugięcie belki. : 2: Rys.. Założenia projektowe zamocowania profilu Ugięcie belki opisane jest przez następujące równanie różniczkowe: EJw '' M x () gdzie EJ to sztywność na zginanie, M(x) to moment gnący [Nm], natomiast w=w(x) jest przemieszczeniem poprzecznym (ugięciem) [m]. Do wyznaczenia ugięcia w dwóch analizowanych przypadkach zastosowano metodę Clebscha [2]. Ugięcie opisane jest całką: w x x Cx D M dxdx (2) EJ Stałe całkowania C i D wyznacza się z warunków brzegowych, a mianowicie:

4 : 2: 0 0, ' w x 0 0, wx L/ 2 0 0, wx L/ 2 0 w x w x 0 () Ostatecznie, dla omawianych przypadków podparcia belki, ugięcia opisane są następującymi równaniami: : 2 : w w x x EJ EJ PLx 2 Px 8 2 PL x Px 6 L P x 2 7 L P x (4) Projektowanie stanowiska Aby wykonać stanowisko pomiarowe postanowiono wykorzystać istniejące już zasoby. W ten sposób, jako bazę dla całej konstrukcji, pozyskano element starego stanowiska do pomiarów tensometrycznych (Rys. 4). Całość projektu przeprowadzono z wykorzystaniem oprogramowania Autodesk Inventor []. Rys. 4. Podstawa konstrukcji W programie zaprojektowano zamocowanie do badanego profilu (Rys. 5), które jednocześnie może funkcjonować na dwa sposoby przedstawione na rysunku : jako utwierdzenie () oraz jako podpora przegubowa nieprzesuwna (2).

5 Badany profil może być w nim zamocowany jak na podporze przegubowej nieprzesuwnej dzięki przykręceniu go do elementu wychylnego () przez otwór gwintowany (2). Element ten może się wychylać w miarę ugięcia profilu dzięki krytym łożyskom walcowym (). Zamocowanie umożliwia także utwierdzenie profilu dzięki dociśnięciu go płytą dociskową (4), co spowoduje zablokowanie elementu wychylnego (). Rys. 5. Projekt zamocowania Rysunek 6 przedstawia stanowisko po złożeniu. W zamocowaniu () osadzono badany profil (2), nad którym, dzięki specjalnym prowadnicom (), może przemieszczać się (w trzech kierunkach) czujnik zegarowy (4). Do badanej belki przyłożono obciążenie statyczne (5) i podparto ją podporą przegubową przesuwną (6) mogącą poruszać się po prowadnicach stanowiska (7). Rys 6. Projekt stanowiska Budowa stanowiska Do realizacji całości przedsięwzięcia wykorzystano materiały posiadane przez koło naukowe. Koniecznym było także zakupienie dodatkowych materiałów,

6 pośród których znaczący udział miały stopy aluminium. Ze stali wykonano elementy, od których wymagana jest większa sztywność (zamocowanie, podpora). Ze względu na wysoką plastyczność stopu aluminium, z którego powstały niektóre elementy, aby nie naruszyć wykonanych w nich gwintów, w kilku miejscach zastosowano śruby z aluminium. Rys. 7. Końcowy etap projektu Rys. 8. Wykonane stanowisko badawcze Podsumowanie Według danych z programu Autodesk Inventor, teoretyczna masa całkowita stanowiska pomiarowego to 6.8 kg. Projekt w fazie skończonej przedstawiono na Rys. 7. Rys. 8 przedstawia stan bieżący (na dzień lutego 204 r.), na którym to stanowisko pomiarowe jest na etapie finalizacji. Pozostałe do wykonania czynności to naniesienie milimetrowej podziałki odniesienia (dla dokładnego ustawienia podpory i czujnika) oraz malowanie niektórych części, w celu zabezpieczenia ich przed korozją i nadania im walorów estetycznych. Literatura. Dymek S., Nowoczesne stopy aluminium do przeróbki plastycznej, Wydawnictwo AGH, Kraków Niezgodziński M. E., Niezgodziński T., Wytrzymałość materiałów, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa Waguespack C., Mastering Autodesk Inventor 204 and Autodesk Inventor LT 204, John Wiley & Sons Inc., Indianapolis 20.