Slajd 1

Projektowanie inżynierskie

polega na

doborze kształtu

wyrobu

materiału

zapewniającego mu pożądane

właściwości użytkowe

asady doboru materiałów konstrukcyjnych

Dobór materiału

Podstawowe kryteria doboru

materiału wynikające z założeń

projektowych

nie podlegają dyskusji

!!!!

(temperatura, środowisko, itp.)

asady doboru materiałów konstrukcyjnych

Dobór materiału

Postępowanie w doborze

materiałów często wykorzystywanych w

praktyce, gdy metodyka doboru

materiału

nie zależy od kształtu wyroby

Dobór materiału

Błąd w doborze

właściwego materiału

Utrata możliwości rozwiązania

problemu projektowego

Funkcj

Metoda

wytwarza

nia

Materi

ał

Cechy materiału:

Właściwości fizyczne,

Właściwości mechaniczne,

Właściwości cieplne,

Odporność na ścieranie,

Odporność na korozję,

itp.

Wskaźniki

funkcjonalnoś

Wskaźnikiem funkcjonalności

nazywamy

kombinacje podstawowych właściwości

(np. gęstość, moduł Younga, itp.)

których optymalizacja umożliwia

uzyskanie

zmaksymalizowanych

właściwości

użytkowych wyrobu

Zastosuj podstawowe ograniczenia

projektowe

+ kryteria maksymalizujące funkcjonalność

wyrobu

Podgrupa wstępnie

wyselekcjonowanych

materiałów

Zastosuj wtórne ograniczenia projektowe

+ kryteria maksymalizujące funkcjonalność

wyrobu

Zmniejszony zestaw

materiałów

Dostępność, wytwarzanie,

łączenie, wykończenie,

estetyka, opłacalność

Ostateczny wybór materiału

ła

ży

Wszystkie materiały

Schemat

postępowani

a w procesie

doboru

materiałów

Dla większości elementów konstrukcyjnych
funkcjonalność zależy nie od pojedynczej
właściwości

materiału,

ale

zbioru

właściwości

lekka sztywna belka - największy iloraz

1/2

sprężyna - największy iloraz

udary cieplne - największy iloraz

E - moduł Younga

– gęstość

– naprężenia niszczące

– współczynnik rozszerzalności

cieplnej

Wskaźniki

funkcjonalnoś

Materiały wykazują generalnie właściwości,
które są zmiennymi ciągłymi i przyjmują
wartości

dyskretne,

specyficzne

dla

poszczególnych materiałów (stanu).

Stal E=

210GPa

= 7.9

Mg/m

Miedź E=

120GPa

= 8.6 Mg/m



Związki tych

właściwości

przyjmują także wartości

dyskretne

Wskaźniki funkcjonalności

Każdy projektowany element złożonego

wyrobu określają trzy wymagania

„

F”

Wymagania

funkcjonalne

(pole temperatur i

naprężeń, oraz

środowisko w jakim

pracuje element)

„

G”

Cechy geometryczne

„

M”

Właściwości materiału

„

”

Wskaźniki funkcjonalności

Funkcjonalność elementu opisuje zatem

równanie:

Właściwości

materiału, M

Parametry

geometryczne,

Wymagania

funkcjonalne,

p = f

lub

p = f ( F, G,

M )

- charakteryzuje pewien aspekt funkcjonalności

komponentu np.: jego masę, objętość, koszt wytwarzania
lub trwałość;

– funkcja określonej zmiennej

Wskaźniki funkcjonalności

Optymalne projektowanie

Optymalne

projektowanie

Optymalne

projektowanie

polega

takim

polega

takim

dobraniu

materiału i kształtu

materiału i kształtu

wyrobu, aby

wyrobu, aby p

było

maksymalizowane

lub

minimalizowane

maksymalizowane

lub

minimalizowane

zależności od tego jakiej cechy wyrobu dotyczy)

W tym przypadku optymalny dobór materiału staje

się

niezależny

się

niezależny

szczegółów

technicznych

szczegółów

technicznych

projektowanego wyrobu (jest taki sam dla różnych

wartości parametrów F i G.

p = f

(F) x f

(G) x

(M)

Możemy także zapisać

Wyselekcjonowanie podzbioru materiałów nie

wymaga zatem pełnego rozwiązania zadania

projektowego i może być rozwiązane bez pełnej

znajomości szczegółów F i G

Ma to szczególne znaczenie w przypadku

doboru materiałów na lekkie, wytrzymałe

konstrukcje

Złożone obciążenie elementu konstrukcyjnego

może być jako wypadkowa osiowego rozciągania,

ściskania, zginania i skręcania

Ma to szczególne znaczenie w przypadku

doboru materiałów na lekkie, wytrzymałe

konstrukcje

Cięgna

Cięgna – obciążenia rozciągające

Belki

Belki – momenty zginające

Wały

Wały – momenty obrotowe

Kolumny

Kolumny – osiowe obciążenia
ściskające

Wskaźnik funkcjonalności dla lekkiego pręta, o

określonej wytrzymałości na rozciąganie

Potrzebny jest

materiał na lity

, cylindryczny

pręt o długości

(l)

, przenoszący siłę

rozciągającą

(F)

ze współczynnikiem

bezpieczeństwa

Powinien mieć minimalną masę !!!!

m = S



Gdzie:
S

– Pole przekroju

gęstość

l i F

są sprecyzowane w założeniach

projektowych

i nie podlegają zmianie

– musi być dostosowane do F

Gdzie:


– naprężenie

niszczące





Po podstawieniu wartości

 



















Właściwości materiału

 



















Wymagania

funkcjonalne

dotyczące

bezpieczeństwa

Wymagania

konstrukcyjne

ustalone w projekcie

Zatem, analizowany pręt będzie bezpiecznie

przenosił siłę rozciągającą, przy minimalnej

masie jeżeli zostanie wykonany z materiału o

największej wartości wskaźnika

funkcjonalności

M =





Podobnie jest w przypadku

uwzględnienia E

M =





Wskaźnik funkcjonalności dla lekkiej, sztywnej

kolumny

Właściwości materiału

 

















Wymagania

funkcjonalne

dotyczące

bezpieczeństwa

Wymagania

konstrukcyjne

ustalone w projekcie

Procedura wyznaczania wskaźników

funkcjonalności

Ustal cechy wyrobu które powinny być maksymalizowane lub

minimalizowane (masa, koszt, sztywność, itp.);

Wyprowadź równanie dla tej cechy

Ustal zmienne swobodne (nie wyszczególnione w założeniach

projektowych);

Ustal

ograniczenia

projektowe

(uszereguj

względem

Ustal

ograniczenia

projektowe

(uszereguj

względem

ważności);

Wyprowadź równania przedstawiające ograniczenia projektowe

(np. bez trwałego odkształcenia, bez pękania itp.);

Podstaw wartości zmiennych swobodnych obliczone z równania €

do funkcji celu (b);

Pogrupuj zmienne w trzy zbiory: CECHA ≤ f(F,G,M);

Odczytaj wskaźniki funkcjonalności, przedstaw M jako wielkość,

która ma być maksymalizowana;

Zauważ, że nie jest niezbędne pełne rozwiązanie zadania w celu

ustalenia zbioru pożądanych właściwości materiału

Procedura doboru materiałów

Podstawowe ograniczenia projektowe

Gdzie:
P – określona właściwość (np. temperatura pracy);
P

kryt

– krytyczna wartość zadana w założeniach

projektowych

P  P

kryt



P  P

kryt

lub

Procedura doboru materiałów

Podstawowe ograniczenia projektowe

kryt

– wartość ta musi być

osiągnięta lub nie powinna być

przekroczona

(w przypadku kosztów lub

korozji)

Kryteria maksymalizujące funkcjonalność

Przykład

Lekki, sztywny element

konstrukcyjny

Warunek E/ρ =

Rodzina prostych

o różnej wartości

Zatem:

Te które nad linią

C=E

1/2

/ ρ

są lepsze

a pod gorsze

Document Outline