inst 17, inżynieria materiałowa - semestr 4, Inżynieria Materiałowa pwr - semestr 4, Wytrzymałość ...
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Politechnika Wrocławska
Wydział Mechaniczny
Wydziałowy Zakład Wytrzymałości Materiałów W10/Z1
Raport Wydziałowego Zakładu Wytrzymałości Materiałów, PWr. 2007
Seria U nr 1/2007
Na prawach rękopisu
LABORATORIUM
WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW
Wielokryterialny dobór własności
wytrzymałościowych materiałów
z uwzględnieniem ich odporności
na pękanie K
IC
Materiały pomocnicze dla studentów
Opracowali:
E.S.DZIDOWSKI, R.JASIŃSKI, G. CHRUŚCIELSKI
Wrocław, 2007
Spis treści
CZĘŚĆ I – OGÓLNE WYTYCZNE DO PROCESU PROJEKTOWANIA
1.1 Wprowadzenie ........................................................................................................................ 3
1.2 Analiza systemów technicznych ........................................................................................ 3
1.3 Proces projektowania ........................................................................................................ 4
1.4 Narzędzia projektowania i dane materiałowe .................................................................... 4
1.5 Funkcja, materiał, kształt i metoda wytwarzania ............................................................... 6
1.6 Dobór materiałów za pomocą wykresów własności .......................................................... 7
CZĘŚĆ II – DOBÓR WŁASNOŚCI MATRIAŁÓW Z UWZGLĘDNIENIEM K
Ic
............................ 10
2.1 Dobór materiałów ze względu na krytyczny współczynnik intensywności naprężeń
K
Ic..
10
2.2 Przykład doboru materiału dla konstrukcji szczególnie obciążonych – materiały na
zbiorniki ciśnieniowe ........................................................................................................ 11
2.2.1 Określanie wskaźników optymalizujących dobór materiałów ................................. 11
2.2.2 Dobór materiałów .................................................................................................. 13
2.3 Podsumowanie ................................................................................................................ 14
Literatura ..................................................................................................................................... 15
CZĘŚĆ III – PRAKTYCZNA INSTRUKCJA DLA UŻYTKOWNIKA PROGRAMU CES 5.0 ......... 16
CZĘŚĆ I
OGÓLNE WYTYCZNE DO PROCESU PROJEKTOWANIA
1.1 Wprowadzenie
Podczas projektowania wyrobów obciążonych mechanicznie konstruktor musi rozwiązać
problemy związane z prawami fizycznymi, właściwym działaniem urządzenia technicznego i
możliwościami jego produkcji. Metoda projektowania zależy przy tym od przyjętego sposobu
analizy systemów technicznych. Rozróżnia się trzy rodzaje projektów: projekty oryginalne
(całkowicie nowe pomysły), projekty adaptacyjne (ewolucja istniejących produktów) oraz
projekty alternatywne (całkowita zmiana formy, tzn. kształtu lub wielkości, bez zmiany
funkcji). W żadnym z tych trzech rodzajów projektów nie można ignorować doboru materiału.
1.2 Analiza systemów technicznych
System techniczny
składa się z podzespołów i części złożonych w taki sposób, aby mogła
być realizowana określona
funkcja
danego wyrobu. System ten może on być opisywany i
analizowany wieloma sposobami. Jednym z nich, jest sposób, w którym rozpatruje się przepływ
informacji, energii i materiału, przetwarzanych przez układ. Przy tym podejściu przyjmujemy,
że system składa się z odpowiednio połączonych podsystemów realizujących funkcje
jednostkowe; w rezultacie otrzymuje się strukturę funkcjonalną systemu. Analiza systemu z
punktu widzenia jego struktury funkcjonalnej umożliwia lepszą ocenę różnych opcji
projektowania, nie jest jednak specjalnie przydatna przy doborze materiału.
Bardziej przydatny jest sposób polegający na rozbiciu systemu na zespoły i części (rys. 1).
Stosując takie podejście można uznać, że np. rower jest system technicznym, a koło –
podzespołem złożonym z pojedynczych części: szprych, przekładni, obręczy i innych. Każda
część jest wykonana z innego materiału.
Rys. 1 Analiza systemu technicznego w rozbiciu na zespoły i części.
Doboru materiału dokonuje się na poziomie pojedynczej części. Niektóre części są
standardowe i wspólne dla wielu konstrukcji, np. wkręty do drewna, ale nawet wśród nich
można wybrać rodzaj materiału (wkręty mogą być mosiężne, ze stali węglowej lub
nierdzewnej). Inne części są specyficzne, unikatowe, przeznaczone dla konkretnej konstrukcji.
W tej sytuacji projektant musi wybrać materiał, zaprojektować kształty i wreszcie określić
metodę wytwarzania. Tak więc istnieje wzajemna zależność pomiędzy funkcją, rodzajem
materiału i kształtem wyrobu.
3
1.3 Proces projektowania
Projektowanie jest procesem iteracyjnym. Punktem wyjścia do projektowania jest potrzeba
rynkowa lub pomysł, finałem zaś - produkt zaspokajający tę potrzebę lub urzeczywistniający
ideę. Między punktami skrajnymi znajduje się cały szereg stadiów pośrednich, np. projekt
koncepcyjny, ogólny i szczegółowy, prowadzących do powstania zbioru specyfikacji de
finiujących sposób wyprodukowania wyrobu (rys. 2).
Rys. 2 Ogólny schemat procesu projektowania
W fazie projektu koncepcyjnego stosować można wszelkie alternatywne rozwiązania,
zarówno co do zasady działania, jak i struktury funkcjonalnej systemu. Bierze się pod uwagę
wpływ różnych wariantów na właściwości użytkowe i koszt wyrobu. Tworzenie projektu
ogólnego, przy uwzględnieniu struktury funkcjonalnej, obejmuje analizę funkcjonowania
wyrobu na niższym poziomie - poziomie części. Wyroby w tej fazie mają zdefiniowany kształt,
wielkość i materiał. Brane są pod uwagę zakresy naprężeń, temperatur oraz inne czynniki
środowiska ich pracy. Tak stworzony projekt ogólny jest z kolei punktem wyjścia do
opracowania projektu szczegółowego, w którym powstają szczegółowe specyfikacje dla każdej
części. Elementy najbardziej odpowiedzialne są poddawane szczegółowej analizie z punktu wi
dzenia ich warunków pracy, tzn. analizie mechanicznej i termicznej, np. metodą elementów
skończonych. W celu osiągnięcia najlepszych właściwości użytkowych stosuje się metody
optymalizacji części i ich zespołów, dobiera się materiały, analizuje drogę, jaką części
przechodzą w procesie produkcyjnym, oraz szacuje koszty. Tworzenie projektu szczegółowego
kończy się powstaniem szczegółowej dokumentacji produkcyjnej.
1.4 Narzędzia projektowania i dane materiałowe
Do stworzenia projektu służą określone narzędzia projektowania. Przedstawione one być
mogą jako elementy wejściowe do całego systemu projektowania (rys. 3). Po lewej stronie
rysunku 3 znajdują się narzędzia naukowych metod analizy, modelowania i optymalizacji
projektu. Są nimi podstawowe prawa i zależności mechaniki, termodynamiki, technik
modelowania itd. W coraz większym stopniu rutynowe czynności projektanckie ułatwia
4
komputerowe wspomaganie projektowania (CAD) oraz możliwości użycia baz danych
zawierających informacje o standardowych częściach i ich zespołach. Wraz z rozwojem
projektu stosowanie tych narzędzi jest coraz intensywniejsze. Przy powstawaniu projektu
koncepcyjnego przeprowadza się analizy i modelowania przybliżone. Na dalszych etapach -
analizy te są coraz bardziej wyrafinowane i dokładne.
Rys. 3 Schemat szczegółowy procesu projektowania
Dobór materiału towarzyszy procesowi projektowania na wszystkich etapach (rys. 3 –
kolumna prawa). Ogromna różnorodność dostępnych materiałów sprawia jednak, że wybór
jednego, konkretnego materiału jest często procesem bardzo złożonym. Rozwijająca się
standaryzacja umożliwia wprawdzie jego skracanie, ale z drugiej strony nieustannie pojawiają
się materiały nowe – lepsze stopy, coraz wytrzymalsze polimery i ceramiki, coraz bardziej
złożone kompozyty. Projektant potrzebuje więc dodatkowych wskazówek, pomagających mu
poruszać się po tym labiryncie różnych możliwości.
Wskazówkami tymi są ograniczenia, jakie w każdym ze stadiów procesu projektowego
stawia się przy wyborze materiału i jakie powstają jako rezultat optymalizacji właściwości
użytkowych i kosztów wyrobu. Pierwsze ograniczenia narzuca się już w projekcie wstępnym;
są to: temperatura pracy, środowisko itp. Grupa materiałów mieszcząca się w nich kandyduje do
następnego stadium. Zawężanie tej listy materiałów wymaga teraz zastosowania jakichś technik
optymalizacji; problem nie polega już na tym, który materiał spełnia wymagania, ale który
spełni je lepiej. Pojawia się konieczność iteracji; rzadko kiedy materiał o najlepiej pasujących
właściwościach będzie materiałem, który najtaniej można uformować, łączyć i obrobić
wykańczające. Potrzebna jest optymalizacja innego rodzaju — znalezienie kompromisu między
właściwościami i kosztami całkowitymi. Tworzenie projektu szczegółowego możliwe jest
dopiero wtedy, gdy lista możliwych materiałów dla każdej części jest zredukowana do jednego
lub do bardzo niewielu.
Dane materiałowe są potrzebne na każdym etapie procesu projektowego. Rodzaj danych
niezbędnych we wczesnych etapach różni się znacznie, zarówno co do dokładności, jak i
zakresu, od tych, które są potrzebne później (rys. 3 – strona prawa). Tworząc projekt
koncepcyjny, projektant potrzebuje przybliżonych danych dla możliwie największej liczby
materiałów. Wszystkie możliwości są jeszcze otwarte: dla jednej opcji najlepszy może być
materiał polimerowy, a dla innej metaliczny, pomimo że chodzi o tę samą funkcję. Na tym
etapie problemem nie jest dokładność danych, lecz tylko ich przedział i dostępność. Z drugiej
5
[ Pobierz całość w formacie PDF ]