Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 8

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 8"

Judyta Małecka
6 lat temu
Przeglądów:

1 Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 8 dr inż. Hanna Smoleńska Katedra Inżynierii Materiałowej i Spajania Wydział Mechaniczny, Politechnika Gdańska Materiały edukacyjne

2 Koło zamachowe Ashby M.F.: Dobór materiałów w projektowaniu inżynierskim. WNT. Warszawa 1998

3 Funkcja: magazynowanie energii Cel: optymalny dobór materiału dla uzyskania maksymalnej energii zmagazynowanej Ograniczenia: w czasie pracy nie może dojść do uszkodzenia koła Cechy geometryczne: pełen dysk o promieniu R i grubości t obracający się z prędkością ω U energia gromadzona w kole ; J moment bezwładności U 1 J U R 4 4 t

4 m Masa dysku: R t Cel: maksymalizacja energii kinetycznej na jednostkę masy koła U m 1 4 R Wzrost prędkości obrotowej wzrost ilości zmagazynowanej energii ale także wzrost naprężeń odśrodkowych, które mogą osiągnąć wartość niszczącą: max 3 8 R f

5 Po podstawieniu: U m S 3 f Najlepsze materiały mają największą wartość wskaźnika funkcjonalności: M f

6 Czy ołów to dobry wybór? Jakie materiały mają najwyższe wartości wskaźnika materiałowego?

7 Dobór materiałów Materiał M [kj/kg] komentarz Ceramika inżynierska (tylko przy ściskaniu!) Krucha wyeliminować CFRP Najlepsza funkcjonalność poprawny dobór GFRP Prawie tak dobre jak CFRP ale tańsze znakomity wybór Beryl 300 Dobry ale drogi, trudny do przetwarzania, toksyczny Stale wysokowytrzymałe Materiały o zbliżonej Wysokowytrzymałe stopy Al funkcjonalności. Stale i stopy Al tańsze niż stopy Mg i Ti Wysokowytrzymałe stopy Mg Stopy tytanu

8 A co z materiałami tradycyjnymi? Materiał M [kj/kg] komentarz Stopy ołowiu 3 Duża gęstość sprawia, że są Żeliwa 8-10 dobrymi, tradycyjnymi materiałami gdy funkcjonalność jest limitowana prędkością obrotową koła, a nie wytrzymałością materiału

9 Porównanie zdolności do magazynowania energii Ołów 3 kj/kg Żeliwo 10 kj/kg Kompozyt żywica epoksydowa zbrojona włóknem szklanym 150 kj/kg Benzyna ok kj/kg? Jakieś pomysły?

10 WIRÓWKA

11 WIRÓWKA Urządzenie wykorzystujące działanie siły odśrodkowej, służące do rozdzielania mieszaniny cieczy na składniki o różnej gęstości lub do oddzielania ciała stałego od cieczy oraz do odwadniania ciał stałych; stosowane do odtłuszczania mleka, oczyszczania cieczy z zawiesin i osadów, do usuwania wilgoci z tkanin.

12 Zwykle składa się z napędu i rotora (wirnika) utrzymującego kilka pojemników szklanych lub plastikowych. Typowe rodzaje to wirówki talerzowe i bębnowe (filtracyjne i sedymentacyjne) oraz ultrawirówki o prędkości obrotowej kilkanaście tys. obrotów na min. służące do rozdzielania układów koloidalnych. W klasycznej wirówce pojemniki mocowane są sztywno pod określonym kątem. Najnowsze konstrukcje przewidują zastosowanie wirnika z wahliwym zamocowaniem pojemników.

13 Czy funkcje i wymagania materiałowe są takie same jak w poprzednim przypadku?

14 Z czego można wykonać wirnik?

15 Wymagania: maksymalna skuteczność co oznacza uzyskanie maksymalnej siły odśrodkowej przy minimalnej masie wirnika. Ograniczenia: wirnik musi wytrzymać działanie siły odśrodkowej bez uszkodzenia materiału Siła odśrodkowa Fc: mv F C r gdzie m i r to masa i długość ramienia, a V to prędkość obwodowa (1)

16 Zależności: mv F c r m Ar V ( r ) n A powierzchnia przekroju ramienia. Zależność na siłę odśrodkową można przedstawić: F c mg rm(r ) 3 m rm m n s

17 Ograniczenia: A F V Tc F Tc σ A. Wprowadzając to ograniczenie : Wskaźnik materiałowy: V M maks

18 Wartości graniczne dla analizowanego przykładu: -prędkość obrotowa (n) : 6000 obr/min - długość ramion wirnika (r): 0 x 10 - m. V [6000/ 60( sek)] 1010 ( m) 16ms 1 Rozsądek nakazuje zastosować współczynnik bezpieczeństwa 4 ze względu na działanie siły F Tc M 3 m V s

19 Wybrani kadydaci do dalszej analizy Materiał * [MPa] [Mg/m 3 ] K Ic [MPa m 1/ ] M=/ [(ms -1 ) x 10 3 Aluminium 04T4 500, Ti-6Al-4V 850 4, CFRP (XP EPC F001; 55% C) , Stal nierdzewna (30) 600 7, Stop magnezu ZC 71 (Mg-6,5Zn-1,5Cu- 0,75Mn) 30 1, Nylon 6/6 60 1,1 55 * granica sprężystości, a dlaczego?

20 Analiza wyników poszukiwania Stop magnezu niska odporność na zmęczenie i nagłe pękanie WYELIMINOWAĆ Aluminium: Trzecia pozycja ze względu na M, dobre własności mechaniczne, niskie koszty i normalizacja, do zaakceptowania. Ti-6Al-4V: dobre własności wytrzymałościowe, wysoki koszt, średnie wartości M

21 Kompozyt z włóknami węglowymi : najlepsze wskaźniki wytrzymałościowe, wysoki koszt, brak pełnej powtarzalności właściwości ze względów bezpieczeństwa - konieczność zwiększenia współczynników bezpieczeństwa. AISI 30 stal nierdzewna: niska odporność mechaniczna i duża gęstość, (wirnik ze stali byłby ~9 razy cięższy niż z kompozytu), przystępna cena, wysoka powtarzalność właściwości Nylon 6/6: niskie wartości wskaźników ale sztywność wystarczająca do tego zastosowania, niska wartość K Ic ale dla materiałów polimerowych należy zastosować inne wskaźniki odporności na kruche pękanie np. K Ic / E, problemem może być absorpcja wody(~1.0%), ciężki ze względu na duży przekrój

22 Wirnik powinien także tłumić drgania a jego częstotliwość rezonansowa f r nie powinna kolidować z prędkością obrotową tj. 100 Hz ( najlepsze w tym względzie są kompozyty a następnie stopy aluminium). Z tego punktu widzenia akceptowane mogą by wszystkie materiały dla których częstotliwość rezonansowa jest wyższa niż 100 Hz.

Podobne dokumenty

Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 10

Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 10 dr inż. Hanna Smoleńska Katedra Inżynierii Materiałowej i Spajania Wydział Mechaniczny, Politechnika Gdańska DO UŻYTKU WEWNĘTRZNEGO Zniszczenie materiału w wyniku