Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 5

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 5"

Kajetan Wójtowicz
7 lat temu
Przeglądów:

1 Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 5 dr inż. Hanna Smoleńska Katedra Inżynierii Materiałowej i Spajania Wydział Mechaniczny, Politechnika Gdańska Materiały edukacyjne

2 Przykład Nogi stołowe

3 Stół z wysmukłymi, cylindrycznymi, o pełnym przekroju nogami. Lekkość i maksymalna smukłość nóg jest wymaganiem projektanta. Blat to ciężka płyta szklana. Funkcja Ograniczenie Podparcie blatu stołu, przenoszenie obciążenia Nie może nastąpić wyboczenie Cel Minimalizacja masy i maksymalizacja smukłości

4 Przykłady oryginalnych lekkich stolików Karim Rashid Industrial Design; "Aura" Coffee Table Blat - kompozyt szklano-polimerowy PMMA, nogi stal i drewno

5 Noga smukła kolumna wykonana z materiału o gęstości i module E Długość l i maksymalne obciążenie P, jakie musi przenosić ustalone w założeniach projektowych Promień nogi r zmienna swobodna Żądamy minimalnej masy danej jako: m r l Krytyczne obciążenie P crit wywołujące wyboczenie kolumny: P crit EI l 3 Er 4l 4

6 I = r /4 to geometryczny moment bezwładności powierzchni przekroju kolumny względem osi. Po obliczeniu r z tego równania i wstawieniu do zależności na m: m 4P 1 l 1 E Własności materiałowe zawiera ostatni człon równania. Masa jest minimalizowana dla materiałów o największej wartości wskaźnika M 1 M 1 1 E

7 Smukłość obliczenie r wg zależności PPcrit r 4P l 1 1 E 1 4 min M = E max

8 Obszar poszukiwań Schemat wykorzystania wykresu przy występowaniu dwóch ograniczeń

9 Wynik poszukiwań z użyciem systemu Cambridge Material Selector (CMS) Materiały na lekkie nogi - czy te własności wystarczą?

10 Wynik poszukiwań z użyciem systemu (CMS) Materiały odporne na kruche pękanie i tanie

11 Wybór Materiał /E 1/ E -1/4 M 1 M Uwagi Drewno 0,150, 0,470, Tanie, tradycyjne, niezawodne CFRP 0,150,5 0,660, Drogie GFRP 0,180,86 0,350,47 3,55,5 090 Tańsze niż CFRP, gorsze własności Ceramika inżynierska 0,150,5 0,1780, Krucha! Jaki jest racjonalny wybór? Jakie mogą być opcje?

12 Opryskiwacz rolniczy Przykład poszukiwania zamiennika materiałowego na podstawie: Selection Methodologies of Materials and Manufacturing Processes; Sydney Ferreira Santos, Maurizio Ferrante; Materials Research, Vol. 6, No.4, 003 a

13 Opryskiwacz rolniczy Urządzenie mocowane do traktora w celu rozpylania środków ochrony roślin oraz nawozów będących w stanie płynnym. Składa się ze zbiornika i dwóch ramion - rur z otworami spryskiwaczy. Kształt i wymiary: Rura - średnica zewnętrzna D 0 = 10 cm, grubość ścianki t = 3 mm, długość L = 5 m Cel : Zastąpienie stali węglowej lepszym materiałem Wielkość produkcji : 50 sztuk Ograniczenia: niska masa, ograniczone ugięcie (tylko w zakresie sprężystym), rozsądna cena

14 Wymagania wobec ramion mała masa, zdolność do dystrybucji produktu na dużej powierzchni, odpowiednia sztywność, łatwość montażu i demontażu oraz przechowywania, koszt porównywalny z obecnie stosowanymi rozwiązaniami wykonanymi ze stali węglowej. odporność na środowisko pracy

15 Model belka wykonana z rury obciążona skupioną na końcu siłą; ugięcie wynika z masy własnej belki Minimalizacja masy m V L ( r t) (1) Ograniczenia max 3 W L 8 E I I 0 i r r 3 r t () (3) δ max maksymalne ugięcie ramienia W siła obciążająca równa WL, gdzie W masa przypadająca na jednostkę długości, L długość ramienia, E -moduł Younga, I - moment bezwładności: wstawiając (3) do ()

16 max 3 W L 8 E ( r 3 t) (4) zmienną jest wielkość r, eliminując ją poprzez (4) przekształcamy (1): m W 7 L Y t 1/ 3 1/ E 3 max Wskaźnik materiałowy: M E 1/ 3 max (5)

17 Obszar poszukiwań Ashby M. F. Dobór materiałów w projektowaniu inżynierski; WNT, Warszawa, 1998 C=3

18 Potencjalne materiały materiał M ρ [Mg/m 3 ] E [GPa] Cena [US$/kg] aluminum stop 6061T4 (1.0Mg Si Cu - 0.0Cr ), utwardzony wydzieleniowo GFRP (70% włókna typu S w osnowie poliestrowej), Masa [kg] Koszt produkcji [US$/szt] CFRP (70% ciągłe, niekierunkowe włókna w osnowie poliestrowej) Maksymalne ugięcie [mm] CFRP,75 1, ,5 7,10 117,00 13 GFRP 1,56 1,9 6 3,60 8,9 3,00 44 Stop Al 1,54,8 80 3,40 13,0 45,00 1 Stal węglowa 0,76 7,8 10 1,00 36,70 37,00 3

19 Polecenie Dobór materiałów na laskę (lub kulę) dla różnych przypadków chorobowych i dla różnych (wiekowo) osób, jakie kryteria będą najważniejsze?

Podobne dokumenty

Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 4

Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 4 dr inż. Hanna Smoleńska Katedra Inżynierii Materiałowej i Spajania Wydział Mechaniczny, Politechnika Gdańska Materiały edukacyjne Wskaźniki materiałowe Przykład Potrzebny