Introduktion till CES

Transkript

1 Introduktion till CES TMKM14 Konstruktionsmaterial, IEI Linköpings universitet HT 2014

2 Inledning Den här labben består av två uppgifter. Den första är avsedd att fungera som en introduktion till CES och tar upp de viktigaste funktionerna i CES. I den andra uppgiften ska du själv prova på att använda CES i en materialvalsprocess. Uppgift 2 måste lösas för att få godkänt på labben. Uppgift 1 en enkel materialvalsprocess Bakgrund Du ska välja material till en liten lastbärande detalj, se fig. 1, som belastas axiellt med P=30 kn. Detaljens dimensioner är R=0,01 m och L=0,2 m. Följande krav ställs på detaljen: Sträckgräns: σ S = P A 0 = ,01 2 π Driftstemperatur: C Figur 1: Geometri och beteckningar. = 95, 5 MPa Materialet måste klara lösningsmedel. Materialet får ej vara lättantändligt. När materialet belastas vid maxtemperatur får längdändringen inte överstiga 0.6 mm. 1

3 Söka material i CES 1) Starta CES och välj level 3. Det finns två verktyg för att söka material i CES: Browse och Search. 2) Använd Browse för att leta reda på högdensitets-polyeten och avgör om någon av polyeten-varianterna kan användas i detaljen. Polyeten förkortas PE och finns under polymers plastics thermoplastics PE unfilled high density Dubbelklicka på materialen för att få upp materialdata. 3) Använd Search för söka på epoxy carbon fiber, (som är en komposit). Kan något av dessa material användas till detaljen? Materialval i CES I en materialvalsprocess kan man använda verktyget Select. Med detta verktyg kan man utgå ifrån en stor mängd material och sedan successivt filtrera bort material som inte uppfyller de ställda kraven. 4) Klicka på Select och välj All bulk materials under rubriken Selection data. Materialdatabasen innehåller nu ca material. Genom att filtrera bort material som inte klarar de ställda kraven kommer antalet material förhoppningsvis att minska till ca , vilket kan användas som underlag vid materialval. Det finns tre olika verktyg för att filtrera bort material: Tree, Limit och Graph. Varje gång du klickar på något av dessa verktyg bildas ett nytt steg, (stage). I varje steg anger man kriterier för vilka material som ska filtreras bort. Du ska nu hitta ett lämpligt material till detaljen genom att använda fyra steg: 3000 material Tree Tree Limit Graph material Stage 1 Tree 5) Välj verktyget Tree, ett nytt steg, (stage 1), skapas. Här kan man ange vilka material/materialgrupper man vill utgå ifrån. Vi håller oss till de vanligaste metallerna: stål, aluminium och koppar. 6) Markera lågkolhaltigt stål, (metals ferrous low carbon steel), och klicka på insert. Lägg även till: Aluminium, (metals non-ferrous aluminium wrought 6000-serien) Koppar, (metals non-ferrous copper brass wrought) Klicka på OK. 2

4 Stage 2 Tree 7) Välj verktyget Tree igen, ett nytt steg, (stage 2), skapas. 8) Byt från MaterialUniverse till ProcessUniverse. Här kan du ange vilken tillverkningsprocess du vill använda. Välj maskinbearbetning. (shaping machining machining) Antalet material bör nu har nu sjunkit till ca. 70 st. Stage 3 Limit 9) Välj verktyget Limit, ett nytt steg, (stage 3), skapas. Här kan man filtrera bort material genom att ange gränser på olika materialparametrar. 10) Materialet måste klara av en belastning på 95,5 MPa. Sätt minsta tillåtna sträckgräns till 95,5 MPa, (mechanical properties yield strength minimum). 11) Materialet måste klara av en driftstemperatur på minst 150 C. Sätt max driftstemperatur till 150 C, (thermal properties maximum service temperatur minimum). 12) Materialet får inte vara lättantändligt: kryssa i non-flammable under Durability: flammability. 13) Materialet måste kunna klara av lösningsmedel: kryssa i acceptable och excellent under Durability: fluids and sunlight organic solvents. 14) Klicka på Apply. Alla material som ligger utanför de ifyllda gränserna ska nu försvinna. Antalet kvarstående material borde vara ca. 60 st. Stage 4 Graph När materialet belastas vid maxtemperatur får längdändringen inte överstiga 0.6 mm. Detta ställer krav på både E-modul och värmeutvidgningskoefficient. Börja med att försumma inverkan av värmeutvidgning. Minsta tillåtna E-modul blir då E > σ ε = Lσ L = 0,2 95, , = 31,8 GPa Filtrera bort material som inte klarar detta krav genom att använda Graph. 15) Välj verktyget Graph, ett nytt steg, (stage 4), skapas. 16) Plotta E-modul mot valfri materialparameter, t.ex. densitet. Grafen du får upp innehåller antagligen alla 3000 material. Detta kan du ändra på genom att klicka på result intersection och hide failed records. 3

5 17) Nu ska alla material som ligger under E=31,8 GPa filtreras bort. Det finns flera verktyg för att göra detta, du kan t.ex. använda gradient-line selection. Ange lutning = 0 och klicka vid E=31,8 GPa, klicka sedan ovanför linjen. Alla material som ligger under linjen ska då försvinna. Blir det fel kan du ta bort linjen genom att klicka på delete selection. 18) Undersök några av materialen i diagrammet genom att dubbelklicka på dem. Du ska nu prova att göra en lite mer avancerad graf genom att ta hänsyn till värmeutvidgningen. Förlängningen ges då av α T L + σl E < 0, m där α är värmeutvidgningskoefficienten. Med insatta värden fås 30α + 19,1 106 E < 0, som måste skrivas om för att överensstämma med de enheter CES använder, detta ger α + 19, E < 0, ) Välj Stage 4 klicka på properties, klicka på advanced under flicken Y-axis. Skriv in följande formel: 30E-6 * [Thermal expansion coefficient] E-3 / [Young s modulus] På X-axeln kan du välja valfri parameter, t.ex. pris. 20) Nu bör du ha åstadkommit en graf som visar detaljens förlängning på Y-axeln. Använd något av verktygen, t.ex. gradient-line selection, och filtrera bort alla material med förlängning större än 0,6 mm, (skalan på Y-axeln är i meter). 21) Undersök de material som har klarat de ställda kraven, (det bör vara ca st. kvar). Föreslå ett material som detaljen kan tillverkas av och fyll i materialets egenskaper i tabell 1. 4

6 Material Sammansättning E-modul Sträckgräns Brottgräns Brottförlängning Hårdhet Max driftstemp. Värmeutvidgningskoeff. Tabell 1: Materialdata för det valda materialet. 5

7 Uppgift 2 fiolfodral För att bli godkänd på labben måste denna uppgift lösas. Bakgrund Din uppgift är att välja ett lämpligt material till ett fiolfodral. Fodralets uppgift är att skydda den dyrbara fiolen i fig. 2 från stötar, fukt och temperaturvariationer. Figur 2: Exklusiv Parrot-fiol. Några krav på fodralet: Fodralet måste vara lätt. Det ska vara billigt. Det måste kunna stå emot väta. Materialet bör kunna gjutas, (casting, molding, composite forming). Fodralet får inte plasticera vid belastning, (σ S > 40 MPa kan vara rimligt). Materialet bör vara ganska styvt, (E > 30 GPa kan vara rimligt). Fodralet ska kunna klara utomhustemperaturer. Din uppgift Använd CES och din egen fantasi för att hitta ett material som kan användas till fiolfodralet. Alla krav behöver inte vara uppfyllda, välj de som du själv tycker är lämpliga, och hitta på egna om det behövs. Ange det valda materialets egenskaper i tabell 2. 6

8 Resultat Material Sammansättning E-modul Sträckgräns Brottgräns Brottförlängning Hårdhet Max driftstemp. Min driftstemp. Värmeutvidgningskoeff. Tabell 2: Materialdata för det valda materialet. Motivera varför du har valt just det här materialet. 7