что такое материалы по выбору

Выбор материала

Выбор материала — это один из этапов в процессе проектирования конструкции. При разработке изделия, часто основной целью выбора материала является минимизация затрат при достижении установленных требований к детали, например, высокой жесткости, малой массы и так далее, в зависимости от назначения изделия. Так, детали теплообменного аппарата, которые разделяют среды, должны иметь высокую теплопроводность, чтобы максимизировать теплопередачу, и низкую себестоимость, чтобы теплообменный аппарат был конкурентоспособным.

Очень важно, чтобы разработчик конструкции обладал глубокими знаниями свойств материалов и их поведения при эксплуатации. Некоторые из важных критериев для выбора материалов: прочность, жесткость, плотность, теплостойкость, устойчивость к коррозии, обрабатываемость, свариваемость, закаливаемость, электропроводность и т. д.

Диаграммы Эшби

Диаграмма Эшби представляет собой пузырьковую диаграмму, на которой отображены две или более характеристики материалов или классов материалов. Эти диаграммы используются для сравнения соотношений между различными свойствами материалов. Например, для жесткого и легкого стержня, рассмотренного выше, по одной оси необходимо отложить модуль упругости, а по другой — плотность. На саму диаграмму необходимо нанести овалы, характеризующие разброс свойств материалов-кандидатов. На таком графике легко найти не только материал с наибольшей жесткостью, или материал с наименьшей плотностью, но и материал с наилучшим соотношением E / ρ . Использование логарифмической шкалы по обеим осям может облегчить анализ диаграммы и выбор материала.

Верхняя диаграмма справа показывает соотношение между модулем упругости и плотностью в линейном масштабе. На диаграмме ниже показаны те же самые свойства материалов в логарифмическом масштабе. Разными цветами показаны разные классы материалов (полимеры, пенопласты, металлы и т.д.).

Так, из-за роста цен на топливо и развития новых технологий, в автомобилестроении сталь заменяют легкими магниевыми и алюминиевыми сплавами, в самолетостроении алюминий заменяют на углепластики и титановые сплавы, а спутники уже давно изготавливаются из экзотических композиционных материалов.

Оптимизация нескольких сочетаний свойств материалов и ценовых характеристик является сложным процессом, который трудно осуществить вручную. Поэтому существует необходимость в специальном программном обеспечении, которое будет содержать большую библиотеку свойств материалов, информацию об их стоимости, методологию выбора материала и инструменты анализа.

Обобщенный метод построения диаграммы Эшби

При построении диаграммы для нескольких сочетаний свойств материалов определяются три различных набора переменных:

Из этих переменных выводится уравнение для индекса эффективности. Это уравнение является критерием выбора материала и количественно определяет, насколько эффективным будет использование материала для конкретного применения. Полученный индекс эффективности наносится на диаграмму. Анализ диаграммы позволяет определить выбор какого материал является наиболее эффективным. Как правило, высокий индекс эффективности показывает более эффективное применение материала.

Пример использования диаграммы Эшби

В этом примере материал подвергается воздействию растяжения и изгиба. Целью выбора материала является определение материала, который будет хорошо работать в обоих случаях нагружения.

Индекс эффективности при растяжении

Рисунок 1. Стержень, воспринимающий растягивающую нагрузку

Напряжение в стержне определяется соотношением P / A , а масса соотношением w = ρ A L . Для получения индекса эффективности необходимо убрать из соотношения все свободные переменные, оставив только фиксированные переменные и переменные материала. В данном случае из соотношения необходимо убрать площадь A . Уравнение напряжения при растяжении можно выразить как A = P / σ . При подстановке полученного A в соотношение для массы получим w = ρ ( P / σ ) L = ρ L P / σ . Далее переменные материала и фиксированные переменные группируются отдельно: w = ( ρ / σ ) L P .

Индекс эффективности при изгибе

Рисунок 2. Балка, воспринимающая изгибающую нагрузку

Выбор наилучшего материала для двух случаев нагружения

Рисунок 3. Диаграмма Эшби с индексами эффективности

Из анализа диаграммы видно, что наибольший индекс эффективности для случая растяжения приходится на карбид бора; для случая изгиба — на пенопласты и карбид бора. Таким образом, наилучшим материалом, работающим в условиях растяжения и изгиба, является карбид бора. Однако, технические керамики являются достаточно дорогими материалами. Принимая во внимание этот факт, наилучшим вариантом будет являться материал, с меньшим показателем индекса эффективности, но более дешевый — углепластик (CFRP).

Источник

Как выбрать строительные материалы?

Если вы, наконец, решились на долгожданный ремонт в квартире или в доме, учтите, что процесс этот трудоемкий и требует ответственного подхода к организации каждого этапа работ. Среди массы задач, которые стоят перед вами, выбор строительного материала является главным фактором успеха вашего ремонта. От материалов зависит и эстетичность, и практичность, и долговечность конечного результата. Поэтому в статье мы уделим этому моменту особое внимание.

Как оценить качество строительных материалов?

От выбора строительных материалов зависит качество ремонта. Многие в стремлении сэкономить отдают предпочтение низкокачественным стройматериалам. На практике же такая экономия сомнительна, поскольку и по показателям долговечности, и по эстетическим характеристикам такие материалы сильно проигрывают более дорогим аналогам. Поэтому выбор строительных материалов для дома должен основываться в первую очередь не на привлекательной цене, а на таких параметрах как:

Рассмотрим подробнее каждый из пунктов.

Долговечность

Этот параметр определяет то, как долго строительные материалы будут сохранять свои эстетические и функциональные свойства. Покупка недолговечных стройматериалов «гарантирует» то, что в скором времени ремонт придется переделывать.

Экономия на стройматериалах – ложный путь, так как работа с дешевым материалом может оказаться более трудозатратной, из-за чего строительная бригада потребует более высокую плату за работу. К примеру, некачественная плитка, которая рассыпается при распиле, способна доставить немало хлопот мастеру. Это же касается дешевых обоев, с которыми в буквальном смысле невозможно работать.

Специалисты рекомендуют покупать сертифицированный материал, который прослужит долго и сохранит свои характеристики на десятилетия. По-настоящему качественный ремонт – это тот, который обновляют по желанию, а не по необходимости.

Стойкость к низким температурам

В первую очередь это относится к материалам, которые эксплуатируются в неотапливаемых помещениях или используются для наружной отделки. Число циклов замерзания и оттаивания без потери качества является наглядным индикатором морозостойкости. Показатель граничных температур говорит о том, где и при каких условиях можно использовать конкретный материал. Но даже если вы планируете только внутреннюю отделку, не будет лишним узнать больше о стойкости материала к низким температурам, так как это многое скажет о реальных эксплуатационных характеристиках материала.

Ремонтопригодность

Этот параметр важен, поскольку дает понять, будет ли эффективен поверхностный косметический ремонт в случае утраты материалом своих изначальных параметров или нет. Срок вероятного ремонта и издержки на то, чтобы восстановить материал до исходного состояния, являются основными индикаторами ремонтопригодности. Логично, что при выборе строительного материала, особенно если вы затеваете капитальный ремонт, лучше отдавать предпочтение легко восстанавливаемым материалам.

Влагостойкость

Устойчивость строительных материалов к негативному воздействию влаги называется влагостойкостью. Выбирая стройматериал, обязательно учитывайте климат вашей географической зоны, а также среднегодовое количество осадков.

В последнее время дерево стало очень популярным материалом. К сожалению, натуральная древесина по показателям влагостойкости существенно уступает металлу, камню, кирпичу, бетону и другим материалам. Тем не менее, сегодня существует огромный выбор химических составов, повышающих показатели влагостойкости натурального дерева. Защитное покрытие способно существенно продлить срок эксплуатации древесины в условиях повышенной влажности.

Простота монтажа

Затраты на монтаж строительных материалов занимают немалую долю ремонтной сметы. Вы наверняка обратили внимание на то, что кирпичные сооружения все больше вытесняются металлоконструкциями. Это связано с тем, что последние легко и быстро монтируются с минимальными трудозатратами.

Издержки на монтаж касаются не только капитального строительства, но и отделочных работ. К примеру, выравнивание стен штукатуркой всегда можно заменить установкой гипсокартона, а покраску стен – поклейкой обоев. Поэтому при выборе строительных и отделочных материалов важно понимать, во сколько обойдется труд рабочих, которые будут делать ремонт.

Выбираем строительные материалы: как избежать ошибок?

Выбор строительных материалов для дома – задача непростая. Поэтому мы посчитали нужным ознакомить вас с ошибкой, которую допускают неопытные покупатели. Речь идет о несоответствии материала условиям эксплуатации и специфике несущих конструкций. К примеру, отсутствие армирующей сетки при формировании стяжки может привести к появлению трещин, а облицовка камнем недостаточно усиленных стен может спровоцировать обрушение. Поэтому так важно соблюдение условий монтажа и эксплуатации материала.

Не стоит также забывать, что качество материала – это лишь половина дела. Очень важен такой фактор как профессионализм исполнителя. Мастер определяет качество строительных работ, и с этим трудно поспорить. Но от того, с каким материалом ему приходится работать, также во многом зависит конечный результат.

Итак, мы рассмотрели основные параметры, на которые стоит обращать внимание при выборе строительного материала. Хотелось бы подытожить вышесказанное несколькими полезными советами, которые помогут сделать грамотную покупку, а именно:

1. Подбирайте товар в магазинах, где представлен большой выбор строительных материалов;

2. Отдавайте предпочтение проверенным производителям и избегайте сомнительные бренды.

3. Не экономьте на таких параметрах как долговечность, стойкость к внешним агрессивным факторам и эстетичность.

4. Выбирайте продукцию, которая легко поддается монтажу и отличается ремонтопригодностью.

Приобретая строительные материалы, ориентируйтесь не только на объективные характеристики, которые предоставляет производитель, но также на отзывы экспертов. Чем шире будет ваше представление о специфике конкретного материала, тем удачнее будет ваш окончательный выбор.

Световое дополнение является важной частью оформления квартиры. За счет правильного освещения можно визуально расширить помещение, расставить нужные акценты, скрыть небольшие погрешности.

Световое дополнение является важной частью оформления квартиры. За счет правильного освещения можно визуально расширить помещение, расставить нужные акценты, скрыть небольшие погрешности.

Источник

Как выбрать оптимальный материал на ранних этапах проектирования?

Казалось бы, есть наработанные годами сферы применения материалов. Есть рекомендации от производителя материалов — бери и делай. Но в современном мире потребителям доступны сотни тысяч различных материалов со своими особенностями. Как разобраться в этом хаосе? Как понять, что выбранный материал обладает наилучшими свойствами для конкретной детали? И главное, как процесс выбора материала сделать алгоритмизированным, повторяемым и обоснованным? Давайте разберёмся.

Состояние вопроса в России

Собственно, написать эту статью меня заставила как раз скудность информации по этой теме в отечественной литературе. Есть малое число источников, где рассматривается строгая методология выбора материала для конкретных применений. Методология в отечественной литературе относится к рекомендациям и не обладает математической строгостью, от чего не так прекрасна, как могла бы быть. Есть и хорошие новости. Если методология не распространена в России — это не означает что её нет в мире. И сразу оговорюсь, что эта методика не заменяет уже сложившееся представление о выборе материалов, а дополняет его и вносит системность в подход к выбору материала.

Про эту методологию я узнал, когда у меня появился доступ к Ansys GRANTA Selector. Немного поломав мозг и прочитав пару книг делюсь информацией, что я накопал.

На рисунке ниже показан алгоритм принятия решения при выборе материала из учебника Кондакова А.И. из МГТУ им. Н.Э. Баумана [1]. Данная методика предлагает определить наиболее важные для материала свойства, задаться критериями выбора этих свойств и произвести отсев материала по этим свойствам. Если произвести отсев не получается, то необходимо обратиться к изделиям-аналогам и материалам, из которых они изготовлены. После определения перечня материалов на него накладываются ограничения по технологичности и стоимости. И заканчивается всё некоторым кратким перечнем материалов и их характеристик, по которым уже можно определить финального кандидата.

Это прекрасный метод. И в нем всё логично. Но он не отвечает на вопрос «какими критериями свойств материалов нужно задаться?». Вы, конечно, можете сказать, что если мы проектируем самолёт, то детали должны быть прочными и лёгкими, ещё, желательно, дешёвыми. И воспользоваться таким параметром как удельная прочность — отношение прочности к плотности. И вы будете правы. Частично. Точнее, только в том случае, если ваш самолёт — это стержень, работающий на растяжение. Почему? А потому что в таком подходе вы не учитываете форму объекта и вид нагрузки.

Соотношения должны быть чуть сложнее, как в книге «Расчёт, проектирование и постройка сверхлёгких самолётов» (выдержка показана в таблице ниже) [2].

В этой же книге приводится пример сравнения применения древесины с распространёнными в авиации металлическими материалами: при работе на растяжение древесина не уступает материалам из таблицы. При работе на изгиб — даже лучше. А вот при работе на сжатие — древесина уже в 2-3 раза хуже.

И даже эти соотношения — покрывают только малую часть возможных видов нагрузок, форм и вообще физических приложений. И тут остаются вопросы «как быть с остальными применениями?», «как собрать это в единую методологию?».

Методология из Кембриджа

Михаэль Эшби, материаловед и профессор из Кембриджа, как раз и занялся исследованиями в этой области. По результатам своих изысканий издал ряд книг, в которых описана данная методология. Дальше этот раздел написан по книге Materials Selection in Mechanical Design [3], которая есть в открытом доступе.

В данной книге приводится более простая схема принятия решения по выбору материала (рисунок ниже).

Схема предлагает сначала отсеять материалы по наиболее «ярким» свойствам. Например, если у проектируемой детали есть требования по прозрачности или по возможности производить деталь только штамповкой, то это сразу сильно сужает перечень потенциальных кандидатов в материалы. В данном подходе в начале поиска рассматривается весь перечень из существующих материалов. Как ни странно, это может привести к неожиданным результатам. Если в схожих по назначению деталях годами использовался алюминий, то неожиданным может стать применение стеклонаполненного полиамида.

Далее, уже более узкий перечень, предлагается проранжировать в зависимости от необходимых свойств. Для этого нужно задаться некоторым оптимизационным критерием, вроде тех, что представлены в книге про сверхлёгкие летательные аппараты. На этом мы сосредоточим внимание чуть ниже.

При использовании этой схемы предполагается, что на входе в процесс выбора материала информация о потенциальных материалах представлена в общем виде. То есть мы можем использовать даже некоторые оценочные свойства или диапазоны свойств для марки материала. Например, полиамид-6 выпускает огромное количество предприятий. У всех из них материал, получается немного разным, с уникальным набором свойств. Для определения перечня потенциальных кандидатов нам не важно знать точные свойства для каждого производителя. Нам достаточно понимать, что материал полиамид-6 может иметь некоторый разброс свойств и знать этот разброс. Отсюда получается, что у нас должен появится этап, на котором мы уточняем свойства материалов. Это может быть информация из ГОСТов, DINов, информация из научных журналов, листков данных производителей и так далее.

С учётом этой информации у нас остаётся ещё более узкий перечень. Но было бы странно не учесть такие показатели как доступность материала на локальном рынке, действующие договора с поставщиками, потенциальные риски из-за санкций и другие локальные особенности.

Ну и наконец, принятие решение о применении конкретного материала или группы материалов.

Теперь вернёмся к основному этапу — ранжированию. Данный этап можно применять не только в методологии Эшби, а использовать, например, при выборе из имеющихся на предприятии 20 материалов.

Мы должны получить некоторые критерии, по которым было бы удобно ранжировать материалы. Для этого зададимся несколькими условиями: функцией, целью и ограничениями.

Любая деталь создаётся, чтобы выполнять какую-то функцию или несколько функций: способность держать давление, передавать тепло, выдерживать изгибающую нагрузку, передавать электрический заряд и так далее. При проектировании инженер ставит цель — сделать деталь лёгкой, прочной, дешёвой, эффективной или ещё какой-нибудь. Может и их сочетанием. Но при этом всегда есть ограничения: деталь должна иметь фиксированные размеры, работать в определённом диапазоне температур. Этот перечень определяет условия выбора материала.

Далее мы можем поставить вопрос «каким образом достичь поставленной цели?». Если речь идёт о жёсткой балке, то можно выбрать материал с высоким модулем упругости, можно увеличить площадь поперечного сечения, можно сделать балку с малой длиной. Если балка должна быть лёгкой, то можно выбрать материал с наименьшей плотностью, сократить длину, уменьшить площадь поперечного сечения. Как-то слишком много вариантов для раннего этапа, не так ли?

Это подталкивает к мысли, что можно вывести некоторые соотношения, которые будут учитывать вид нагружения и поставленные цели. Такие соотношения будем называть индексом эффективности.

В общем смысле, индекс эффективности — это комбинация свойств материала, характеризующая применение материала в конкретной области.

Формализуем эту мысль. Заметим, что эффективность каждого конкретного применения будет зависеть от функциональных требований (выдерживать нагрузку, передавать тепло), геометрических параметров (размеры, форма) и свойств материала (относящихся к конкретному применению):

где — эффективность, — функция (в математическом смысле), — функциональные требования, — геометрические параметры, — свойства материала.

При такой формулировке целью становится минимизация или максимизация .

Функцию можно выразить таким образом, чтобы она состояла из произведения трёх функций, каждая из которых определялась бы набором параметров , и (почему будет ясно на примере чуть ниже):

При таком разделении функция пропорциональна , определяющейся свойствами материалов, и независимой от функциональных требований и геометрических параметров . Очевидно, что при увеличении функции будет возрастать и . В таком случае функцию можно рассматривать отдельно и именно она будет определять индекс эффективности материалов. То есть можно оптимизировать функцию не зная всех функциональных требований и геометрических параметров и рассматривать их отдельно, уже при самом конструировании. То есть мы сначала подбираем оптимальный материал, а затем уже занимаемся конструированием и оптимизацией конструкции.

Рассмотрим на нескольких примерах.

Предположим, что мы выбираем материал для цилиндрического стержня, работающего на растяжение. У нас определена длина и растягивающее усилие . Цель — минимизировать массу при соблюдении условий прочности. Функцию, цель и ограничения соберём в таблицу ниже.

В данном случае «максимизация эффективности» означает минимизацию массы при способности нести нагрузку . Сначала мы ищем функцию, значения которой можно минимизировать или максимизировать. В данном примере речь идёт о минимизации массы . Уравнение, называемое целевой функцией, имеет вид:

где — площадь сечения, — длина, — плотность.

В данной задаче длина и нагрузка определены и фиксированы, а площадь сечения может изменяться в процессе конструирования. Уменьшение будет приводить к уменьшению , но в тоже время будет участвовать в соотношении для напряжений:

Отсюда можно выразить и подставить его в уравнение выше и сразу разделить переменные по их типам:

В первой скобке присутствует — функциональная переменная; во второй — — геометрическая переменная; в третьей — константы материала. Отсюда можно выразить индекс эффективности:

Сразу установим правило, по которому индекс эффективности стоит выражать так, чтобы его необходимо было максимизировать. То есть чем выше этот индекс – тем лучше для конкретного применения материала.

Рассмотрим второй пример — балка, нагруженная сосредоточенной силой , с квадратным сечением и длиной . Балка подвержена изгибу. Длина фиксирована. Необходимо ограничить прогиб балки некоторой величиной , то есть ограничением является жёсткость балки. Также необходимо чтобы балка имела минимальную массу. Функцию, цель и ограничения соберём в таблицу ниже.

Выразим жёсткость величиной , которая должна быть больше либо равной соотношения, определяемого из уравнения прогиба:

где — модуль упругости, — константа, определяемая из граничных условий и — момент инерции, определяемый для квадратного сечения как:

Напомню, что наша целевая функция имеет вид:

Получаем, как и в прошлом примере, противоречие между уменьшением массы и увеличением жёсткости — при увеличении размеров поперечного сечения будет увеличиваться жёсткость, а вместе с ней и масса, которую мы вообще-то хотим снизить.

Соберём теперь все в целевую функцию:

Тут, как и в прошлом примере, нас интересует только часть, отвечающая за свойства материала, то есть последний член уравнения. Выразим индекс эффективности:

Мы рассмотрели два примера, характерных только для механических задач. Вообще данных подход содержит в себе не только массовые, упругие и прочностные свойства. В нем также можно учесть стоимость материалов, тепловые, электрические и другие характеристики. Если классифицировать применения данного подхода, то получится вот такая структура:

Для учёта нескольких критериев, значения наносятся на пузырьковую диаграмму Эшби (рисунок ниже). Овалы на диаграмме отображают разброс свойств для каждого типа материала. Данная диаграмма построена для балки, работающей на изгиб. По оси отложен индекс эффективности, определяющий стоимость за единицу жёсткости. По оси отложен индекс эффективности, определяющий отношение массы и жёсткости. Критерии на диаграмме преобразованы таким образом, что чем меньше значение критерия, тем дешевле и легче будет получаться конструкция при той же жёсткости.

Отсюда получается, что чем ближе материал находится к левому нижнему углу, тем эффективнее будет его применение для легкой, дешёвой и жёсткой балки, работающей на изгиб.

Есть и другой способ отображения диаграммы Эшби. Он описан на странице Википедии.

Пример в Excel

Для примера я составил таблицу в Excel. Предположим, что у нас на предприятии применяют всего 6 материалов. Нужно из этих 6 материалов выбрать наилучшие, для следующих случаев:

Сравнение первого и второго примеров показывает, что полностью вольное изменение площади сечения и изменение только ширины, при заданной высоте, будет приводить к разным результатам. При изменяемой ширине сечения обоснованным будет применение более прочного, но и более тяжёлого материала. А все потому, что прочности в формулах индексов эффективности будут отличаться степенью.

Сравнение второго и третьего примеров показывает, что стремление к лёгкой или дешёвой конструкции будут давать разные результаты. Но это не означает, что конструкция не может быть и лёгкой, и дешёвой. Для решения такой задачи необходимо ещё одно измерение. Нужно построить график Эшби, на котором отложить массовый индекс эффективности по одной оси и ценовой индекс эффективности по другой оси.

В последнем примере показан выбор материала для элемента, запасающего энергию. Стоит обратить внимание на то, что для всех четырёх применений мы получили разные оптимальные материалы.

Источник