TENTAMEN MTGC12, MATERIALTEKNIK II / MTGC10 MATERIALVAL

Transkript

1 Materialteknik, Jens Bergström TENTAMEN MTGC12, MATERIALTEKNIK II / MTGC10 MATERIALVAL Tid: Måndagen 26 oktober 2015 Tentamen omfattar genomgånget kursmaterial. Hjälpmedel: Kalkylator Poängsättning: 0-20 Underkänt Betyg Betyg Betyg 5 Totalt antal poäng = 50 Alla svar och beräkningar skall vara fullständiga. Svar och diskussioner kan för den skull vara kortfattade. Eventuella ansatser motiveras. Hänvisa till ekvationer, figurer och tabeller i använd informationskälla där så är nödvändigt. Kursansvarig lärare, Jens Bergström, kan nås per telefon Skriv namn och nummer Namn Nummer

2 MATERIALVAL AV SIDOKOLLISIONSKYDD Totalt 3556 personer dödades eller skadades svårt under ett år vid olyckor med personbilar inblandade. 75% av de dödade eller svårt skadade satt i bilarna de övriga befann sig utanför. Av de 74 dödade personerna som inte befann sig i personbilen var 35 gående, 19 motorcyklister, 3 mopedister och en satt i lastbil. Av de olyckor som orsakade en personskada, dvs skadade eller död, står avsväng eller korsväg för en betydande del, se tabell nedan. Det är vid sådana krockar stor risk för att bilar skall mötas i en sidokollision, se Figur 1. Vid dessa krockar är risken mycket stor för allvarliga personskador. Tabell Polisrapporterade vägtrafikolyckor med personskada efter olyckstyp, under ett år. Motorfordon Motorfordon Sidokollision: Omkörning, Upphinnande Möte Avsväng Korsväg Övriga filbyte Figur 1. Två bilar i en sidokrock, med stor risk för betydande skador för åkande i den vita bilen För att prova bilars egenskaper och skydd mot sidokrockar provas de genom att man krockar dem i sidan med en krocksläde. Sidokrockproven görs i 50 km/tim. Bilen träffas av en barriär monterad på en släde som körs in i förarsidan på bilen. Barriären kan deformeras, se Figur 2.

3 Figur 2 a) Test av en personbil b) Uppmätt acceleration för krocksläden. För att hindra att ett fordon tränger in i kupén och orsakar personskador förstärks i moderna bilar ofta dörren med en sidokrocksbalk, se Figur 3. Med F=m*a och med en vikt på släden på 1500 kg kan vi skatta den maximala kraften under krocken till strax under 1500*20*9.81,, dvs ca 295 kn. Det ger att med aktuella dimensioner måste materialets sträckgräns överskrida 100 MPa i sidobalken. Det är valet av material för denna balk som vi skall motivera i följande uppgifter. Figur 3 Exempel på en sidokrocksbalk

4 UPPGIFT 1) MATERIALVALSPROCESSEN Kursen beskriver en sammanhållen konstruktionsprocess, där val av form, material och tillverkningsmetod samverkar. Materialvalsprocessen är en del av denna. a) Beskriv materialvalprocessens struktur. Tag det beskrivna exemplet med sidokollosionsskyddet som utgångspunkt. Genomför inte materialvalet, utan ange de nödvändiga momenten och beskriv konkret vad som kan gälla för sidobalken (funktion, mål, restriktion, etc) i den beskrivna strukturen. I materialvalsprocessen tar man fram ett meritvärde som underlag för materialvalet. Vad innebär detta meritvärde och hur är det framtaget? 5p

5 UPPGIFT 2) HÄRLED ETT MERITVÄRDE TILL SIDOBALKEN Problemet har beskrivits ovan. Antag att vi vill ta fram en sidobalk enligt beskrivningen i inledningen. Vi antar att balkens tvärsnitt kan väljas fritt till form, men naturligtvis måste passas in i sidodörren. Balken skall vara så lätt som möjligt. Antag att restriktionen att balken måste kunna hålla för en viss kraft F utan att deformeras plastiskt (en sträckgräns) styr materialvalet. Härled ett meritvärde, analytiskt. Följ materialvalsproceduren (funktion, mål, restriktioner), ange motiveringar och gör rimliga antaganden där så behövs. 10p För den maximala spänningen i en fritt upplagd balk av längd L med mittlast F gäller; FL 4Z där Z är böjmotståndet. Formfaktorer: 12I A 7,14K A e e B 2 T 2 f B 6Z A 3 2 f T 4,8Q A 3 2

6 UPPGIFT 3) NYTT MERITVÄRDE, ETT MATERIALVAL OCH VAL AV TILLVERKNINGSMETOD Tentamen MTGC10/12 Problemet har beskrivits ovan. a) Ange ett meritvärde för sidobalken om målsättningen är att minimera priset. Härled meritvärdet eller ge en kort motivering med utgångspunkt från resultatet i Uppgift 2. 3p b) Genomför en grafisk lösning baserat på lämpliga restriktioner samt meritvärdet som Du tog fram i Uppgift 3a). Använd den information som finns i bifogade egenskapsdiagram, Bilaga 1. Gör antaganden om eventuell inverkan av faktorer som inte beskrivs i diagrammet. Motivera lösningen och beskriv lösningsmetoden, redovisa i svaret hur egenskapsdiagrammet är använt, dvs lämna in diagrammet med svaret. Välj ut och rangordna de tre bästa materialen av de som finns angivna i diagrammet. 6p c) Om vi ska välja en tillverkningsmetod till sidobalken så kommer återigen kostnaden för framställningen av balken att väga tungt. Beskriv hur tillverkningskostnaden avgör val av tillverkningsmetoden i detta fallet, samt kommentera vilka faktorer som kan vara avgörande för det slutliga materialvalet. 6p

7 UPPGIFT 4) SAMMANSATTA MÅL Om vi i vår lösning till ett materialvalsproblem för sidobalken inkluderar båda målfunktionerna minsta vikt och minsta kostnad så får vi två meritvärden att ta hänsyn till. Det inverkar direkt på materialvalet. Därför behöver det slutliga materialvalet optimeras med avseende på de olika meritvärdena, och för detta finns det flera olika lösningsmetoder. a) Ange ett par metoder för sammansatta mål och när de är lämpliga att använda. 4p b) Om vi har flera olika målfunktioner så innebär det också flera olika meritvärden. Till sidobalken ska vi tillfredställa målen att minimera vikt och minimera kostnad. Antag att vi i detta fallet har materialindexen M 1 och M 2 enligt nedan, (Obs! ej nödvändigtvis samma som i uppgift 2-3). ) M 1 f M 2 c p f f = sträckgräns, = densiteten, c p = materialkostnad Vi har tre material som är våra huvudkandidater, aluminium, stål och en kolfiberkomposit. Materialdata kan hämtas ur Bilaga 2. Visa hur man kan göra ett systematiskt materialval genom att använda en värdefunktion som kombinerar inverkan av de båda målfunktionerna. Vi kan anta att viktsbesparingen i bilen är värd 30kr/kg. Genomför också materialvalet med hjälp av värdefunktionen och välj en av de tre angivna materialen. Förklara och motivera Din lösning, gör antaganden (rimliga) där så behövs. 6p

8 UPPGIFT 5) MILJÖVÄNLIGT MATERIALVAL All framställning och användning av produkter och komponenter innebär en miljöpåverkan. Som konstruktör har man ett stort ansvar för hur denna påverkan avvägs. I kursen har vi i ett avsnitt tagit upp materialval med hänsyn till miljöpåverkan. a) Beskriv en strategi som vi kan använda vid materialvalet med hänsyn tagen till miljöpåverkan. 5p b) Genomför ett materialval för den beskrivna sidobalken baserat på strategin för materialval med hänsyn tagen till miljöpåverkan. Välj material mellan kandidaterna aluminium, stål och kolfiberkompositen med data enligt Bilaga 2. Motivera valet (krävs för godkännande av uppgiften). 5p

9 Shape factor * Yield strength (elastic limit) Tentamen MTGC10/12 BILAGA 1. EGENSKAPSDIAGRAM 1e Low alloy steel, AISI 5150, tempered at 425 C & oil quenched Stainless steel, martensitic, AISI 410, wrought, hard temper Low alloy steel, AISI 4130, air melted, quenched & tempered Low alloy steel, AISI 8630, normalized Low alloy steel, AISI 5150, tempered at 425 C & oil quenched Tool steel, chromium alloy, AISI H10 (hot work) Cast iron, nodular graphite, EN GJS 900 2, hardened & tempered Cast iron, nodular graphite, EN GJS U Aluminum, 6016, wrought, T6 PP (homopolymer, 10% glass fiber) PP (homopolymer, clarified/nucleated) PA11 (flexible) PB (film) Polyester cast (flexible) PB (adhesive resin) PTFE (unfilled) PFA (unfilled) PVC (flexible, Shore A60) FEP (unfilled) EEA (12-20% ethyl acrylate) e6 Price * Density

10 BILAGA 2. MATERIALDATA Aluminium, härdat genom åldring General properties Density kg/m^3 Price SEK/kg Mechanical properties Young's Modulus GPa Shear Modulus GPa Bulk modulus GPa Poisson's Ratio Hardness - Vickers HV Elastic Limit MPa Tensile Strength MPa Compressive Strength MPa Elongation 1-20 % Endurance Limit MPa Fracture Toughness MPa.m^1/2 Loss Coefficient 1e-4-1e-3 Shape factor 39 Eco properties Embodied energy, primary production MJ/kg CO2 foot print, primary production kg/kg Recycle Downcycle Biodegrade Incinerate Landfill Låglegerat stål General properties Density kg/m^3 Price SEK/kg Mechanical properties Young's Modulus GPa Shear Modulus GPa Bulk modulus GPa Poisson's Ratio Hardness - Vickers HV Elastic Limit MPa Tensile Strength MPa Compressive Strength MPa Elongation 3-38 % Endurance Limit * MPa Fracture Toughness MPa.m^1/2 Shape factor 34 Eco properties Embodied energy, primary production * MJ/kg CO2 foot print, primary production * kg/kg Recycle Downcycle Biodegrade Incinerate Landfill

11 Kolfiberkomposit med epoxy matris (isotropisk) General properties Density kg/m^3 Price * SEK/kg Mechanical properties Young's Modulus GPa Shear Modulus GPa Bulk modulus GPa Poisson's Ratio * Hardness - Vickers * HV Elastic Limit MPa Tensile Strength MPa Compressive Strength MPa Elongation * % Endurance Limit * MPa Fracture Toughness * MPa.m^1/2 Loss Coefficient * 1.4e-3-3.3e-3 Shape factor 10 Eco properties Embodied energy, primary production * MJ/kg CO2 foot print, primary production * kg/kg Recycle Downcycle Biodegrade Incinerate Landfill