Materialteknik, Jens Bergström 2015-10-20 TENTAMEN MTGC12, MATERIALTEKNIK II / MTGC10 MATERIALVAL Tid: Måndagen 26 oktober 2015 Tentamen omfattar genomgånget kursmaterial. Hjälpmedel: Kalkylator Poängsättning: 0-20 Underkänt 21-29 Betyg 3 30-39 Betyg 4 40-50 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 070-6280302 ---------------------------------------------------------------------------------------------------- Skriv namn och nummer. --------------------------------------------------------- ---------------------------------------- Namn Nummer
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 230 2 547 794 1 087 1 836 412 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.
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
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
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
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
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
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
Shape factor * Yield strength (elastic limit) Tentamen MTGC10/12 BILAGA 1. EGENSKAPSDIAGRAM 1e6 100000 10000 1000 100 10 1 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 400 18U 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) 1000 10000 100000 1e6 Price * Density
BILAGA 2. MATERIALDATA Aluminium, härdat genom åldring General properties Density 2500-2900 kg/m^3 Price 9.922-16.08 SEK/kg Mechanical properties Young's Modulus 68-80 GPa Shear Modulus 25-28 GPa Bulk modulus 64-70 GPa Poisson's Ratio 0.32-0.36 Hardness - Vickers 60-160 HV Elastic Limit 95-610 MPa Tensile Strength 180-620 MPa Compressive Strength 95-610 MPa Elongation 1-20 % Endurance Limit 57-210 MPa Fracture Toughness 21-35 MPa.m^1/2 Loss Coefficient 1e-4-1e-3 Shape factor 39 Eco properties Embodied energy, primary production 184-203 MJ/kg CO2 foot print, primary production 11.6-12.8 kg/kg Recycle Downcycle Biodegrade Incinerate Landfill Låglegerat stål General properties Density 7800-7900 kg/m^3 Price 3.287-8.545 SEK/kg Mechanical properties Young's Modulus 205-217 GPa Shear Modulus 77-85 GPa Bulk modulus 160-176 GPa Poisson's Ratio 0.285-0.295 Hardness - Vickers 140-692.5 HV Elastic Limit 400-1500 MPa Tensile Strength 550-1760 MPa Compressive Strength 400-1500 MPa Elongation 3-38 % Endurance Limit * 248-700 MPa Fracture Toughness 14-200 MPa.m^1/2 Shape factor 34 Eco properties Embodied energy, primary production * 31-34.3 MJ/kg CO2 foot print, primary production * 1.95-2.16 kg/kg Recycle Downcycle Biodegrade Incinerate Landfill
Kolfiberkomposit med epoxy matris (isotropisk) General properties Density 1500-1600 kg/m^3 Price * 394.4-657.3 SEK/kg Mechanical properties Young's Modulus 69-150 GPa Shear Modulus 28-60 GPa Bulk modulus 43-80 GPa Poisson's Ratio * 0.305-0.307 Hardness - Vickers * 10.8-21.5 HV Elastic Limit 550-1050 MPa Tensile Strength 550-1050 MPa Compressive Strength 440-840 MPa Elongation * 0.32-0.35 % Endurance Limit * 150-300 MPa Fracture Toughness * 6.12-20 MPa.m^1/2 Loss Coefficient * 1.4e-3-3.3e-3 Shape factor 10 Eco properties Embodied energy, primary production * 259-286 MJ/kg CO2 foot print, primary production * 21.1-23.4 kg/kg Recycle Downcycle Biodegrade Incinerate Landfill