Sådan designer du for stivhed: En guide til brug af materialegenskaber for bedre delstivhed

De fleste defekte dele knækker ikke i to stykker. I stedet går de i stykker, fordi de bøjer, flekser eller ændrer form for meget. De er simpelthen ikke stive nok. Denne artikel er min guide til at hjælpe dig med ikke at begå den almindelige fejl. Vi vil se på, hvordan man designer til stivhed. Vi vil gøre dette ved at vælge de rigtige materialegenskaber og delform. Hvis du nogensinde har lavet en del, der føltes svag eller bøjet, når du lagde vægt på den, er denne artikel noget for dig. Jeg vil vise dig de simple ideer, du kan bruge til at lave en stærkere og stivere del.

Hvad er grundlaget for stivhed og rigiditet?

Lad os begynde med de simple ting. Hvad er stivhed? Simpelt sagt er stivhed en måde at måle, hvor meget en del kæmper imod at bøje eller ændre form, når du skubber eller trækker i den. Dette skub eller træk kaldes en belastning. Tænk på en plastik lineal. Når du skubber på den, bøjer den. Hvor meget den bøjer fra den belastning viser dig, hvor stiv den er. En rigtig stiv del vil næsten ikke bevæge sig overhovedet. En bøjelig del vil vise en masse deformation.

Det er meget vigtigt at vide, at stivhed ikke er det samme som styrke. Styrke, eller flydespænding, fortæller dig, hvor meget belastning en del kan håndtere, før den går i stykker. Eller før den bøjer og forbliver bøjet. Stivhed handler om midlertidig bøjning, der går tilbage til normal. Dette kaldes elastisk deformation. En stiv del ønsker ikke at lave denne form for deformation. En del kan være meget stærk, men ikke særlig stiv. Tænk på et stålkabel. Det kan holde en meget tung belastning uden at gå i stykker (det er høj styrke). Men det er slet ikke stift. Når vi designer til stivhed, er vores hovedmål at stoppe eller mindske denne uønskede formændring, når der er en belastning på delen.

Hvorfor er design for stivhed så vigtigt?

Jeg har lært, at stivhed er meget vigtigt for mange job. Tænk på en bogreol. Du vil have den til at holde dine bøger uden at bøje ned på midten. Hylden behøver ikke at være stærk nok til at holde en bil. Men den har brug for nok delstivhed til at håndtere belastningen af bøgerne uden en masse nedbøjning. Hvis den bøjer ned, fungerer den ikke korrekt, selvom den ikke er gået i stykker. Dette er et problem med stivhed, ikke et problem med styrke.

Denne idé er sand for mange ting. I en bils ramme er der brug for høj stivhed, så bilen kører godt, og strukturen er sikker. I et CNC-bearbejdning værktøj skal strukturen være ekstremt stiv, så den kan lave meget præcise snit. Hvis skæreværktøjet bevæger sig bare en lille smule fra belastningen, vil den del, der laves, være forkert. Når du lægger en belastning på en komponent, er det super vigtigt, at den holder sin form. Hvis du glemmer stivhed, fungerer din del måske ikke godt, eller den kan gå helt i stykker. Strukturen vil deformeres og måske ikke udføre sit job med sin normale belastning.

Hvordan finder du ud af et materiales stivhed?

Så hvordan kan vi finde ud af, hvor stift et materiale er i sig selv? Vi bruger et specielt tal til dette. Det kaldes elasticitetsmodulet. Det er også kendt som Youngs modul. Jeg ved, det kan lyde svært, men ideen er let. Elasticitetsmodulet er et tal, der fortæller dig, hvor stift et materiale er. Et større tal for elasticitetsmodulet betyder, at materialet er mere stift. Dette er en af de vigtigste materialegenskaber, vi ser på.

For at gøre det klart, lad os se på modulet for et par materialer, som folk ofte bruger. Modulet måles normalt i pund per kvadrattomme eller PSI. Et større tal betyder, at det er sværere at få det til at ændre form.

Som du kan se, er forskellen meget stor! Modulet for stål er meget højere end modulet for nylon. Det betyder, at hvis du har den samme form og den samme belastning, vil en ståldel bøje meget mindre end en nylondel. Elasticitetsmodulet er en meget vigtig egenskab, du skal tænke over.

Hvilken rolle spiller materialevalg?

Den første og nemmeste måde at gøre en del stivere på er ved at vælge det rigtige materiale. Dette kaldes materialevalg. Hvis dit design skal have høj stivhed, bør du begynde med at lede efter materialer med et højt elasticitetsmodul. Brug af et materiale med et større modul er ofte den enkleste måde at øge stivheden af en komponent. For eksempel, hvis en del lavet af en aluminiumslegering er for bøjelig, vil et skift til stål med det samme gøre den omkring tre gange stivere.

Det valg, du træffer, ændrer alt. Hvis du har brug for en del, der er let, men også meget stiv, kan du se på noget som en kulfiberkomposit. Kulfiber har et meget højt modul i forhold til, hvor lidt det vejer. Men det koster også mange penge. Hvis du laver en simpel del med en sprøjtestøbeform, kan du vælge en glasfyldt nylon i stedet for en normal nylon for at få den øgede stivhed. De materialegenskaber, du vælger, er som byggeklodserne til dit design. At vælge det forkerte materiale kan forårsage et stort problem, der er svært at løse senere hen. Vi skal finde ud af, hvad vi har brug for først for at vælge det rigtige materiale.

Kan en Materialevalgsassistent være nyttig?

Med så mange materialer tilgængelige, hvordan vælger du så et? For længe siden brugte jeg mange timer på at kigge i store, tykke bøger. Nu er vi heldige at have hjælpsomme værktøjer. En materialevalgsassistent er en slags computerprogram, der hjælper en ingeniør med at finde det bedste materiale til en opgave. Du kan fortælle programmet, hvilke materialegenskaber du leder efter.

For eksempel kan du fortælle materialevalgsassistenten: "Jeg har brug for et materiale til en del fra en sprøjtestøbeform. Det skal have et elasticitetsmodul over 1.000.000 PSI og en flydespænding på mindst 8.000 PSI." Programmet vil derefter vise dig en liste over plasttyper, som en glasfyldt nylon, der passer til dine behov. Det sparer en masse tid. Det hjælper dig også med at finde nye materialer, du ikke kendte til. Det hjælper dig med at finde det allerbedste materiale til ikke at ændre form under en vis belastning.

Hvordan bruger du ideen om inertimoment?

Denne næste del er min favorit. Det materiale, du bruger, er kun en del af svaret. Den anden del er objektets form! "Formens stivhed" forklares af noget, der kaldes inertimomentet. Dette er en meget grundlæggende og vigtig idé. Lad mig vise dig, hvad jeg mener. Tag en lineal og læg den fladt hen over to bøger. Tryk ned på midten. Den bøjer let, ikke? Stil nu linealen op på dens tynde kant og tryk ned med den samme belastning. Det er meget sværere at få den til at bøje.

Dette viser, hvordan inertimomentet fungerer. Linealen er lavet af det samme materiale (så den har det samme elasticitetsmodul). Den har den samme mængde materiale i begge opsætninger. Men formen og den måde, den er vendt mod belastningen, har ændret sig. En form, der er høj og tynd, er meget stivere end en, der er kort og bred, når belastningen skubber nedad. Formlen for inertimomentet for et simpelt rektangel viser, at højden er meget vigtig. Det betyder, at hvis du fordobler højden af en bjælke langs belastningsaksen, bliver den otte gange stivere! Dette er en fantastisk måde at forbedre delstivheden på, og du behøver ikke at tilføje en masse vægt.

Hvordan påvirker en dels form bøjningen?

Lad os nu samle disse ideer. Hvor stiv en del ender med at være, kommer fra to ting: materialets elasticitetsmodul og delens inertimoment. Hvor meget en del bøjer under en belastning har en direkte sammenhæng med disse to ting. En simpel måde at forstå dette på er en tommelfingerregel: en dels stivhed er direkte knyttet til dens modul ganget med dens inertimoment. For at få noget til at bøje mindre, kan du gøre enten den ene eller den anden større.

Hvis du har en bjælke med en belastning på den, har du to måder at gøre den stivere på. For det første kan du bruge et materiale med et højere modul. For eksempel kan du skifte fra plast til stål. For det andet kan du ændre bjælkens form og størrelse for at gøre dens inertimoment større. For eksempel kan du gøre bjælken dybere. En god ingeniør bruger begge disse ideer til at gøre et design bedre. De ændrer strukturen for at få de bedste resultater til den laveste pris og vægt. Det er normalt billigere at ændre formen end at bruge et materiale, der koster flere penge, som en kulstoflegering.

Hvad er Finite Element Analysis (FEA), og hvornår bør du bruge det?

For dele med vanskelige former er det svært at finde ud af bøjningen og spændingen bare ved at regne. Det er her, vi bruger et stærkt computerværktøj kaldet Finite Element Analysis eller FEA. Jeg bruger FEA meget ofte til at kontrollere mine designs. Med FEA kan en ingeniør lave en 3D-model af en komponent på computeren. Derefter kan ingeniøren teste den på computeren, før han laver en rigtig en.

I en FEA-undersøgelse lægger du en belastning på computermodellen. FEA-programmet finder derefter ud af, hvordan strukturen vil ændre sin form. Det viser dig også de områder med høj spænding. Resultatet er normalt et billede med farver. For eksempel kan rød vise høj spænding eller en masse nedbøjning, og blå kan vise lav spænding. Dette er en fantastisk måde at "se", hvad din del vil gøre. Du kan bruge en FEA-undersøgelse til hurtigt at prøve forskellige materialer og former. Et FEA-værktøj er en vigtig del af at gøre en kompleks struktur bedre og reducere belastningen. Det er en meget vigtig del af moderne design for stivhed.

Hvordan kan du bruge disse ideer i et eksempel fra det virkelige liv?

Lad os lade som om, at vi laver en plastikbeslag ved hjælp af en sprøjtestøbningsproces. Beslaget er beregnet til at holde en lille hylde. Den første, vi lavede, ved hjælp af standard nylon, bøjer for meget ned, når vi lægger en belastning på den. Nedbøjningen er for stor. Hvad skal vi gøre? Vi bruger de ideer, vi har talt om.

Lad os først se på vores materialevalg. Vores normale nylon har et lavt modul. Vi kan skifte til en glasfyldt nylon. Dette materiale har et meget højere elasticitetsmodul. Dette vil gøre komponenten mere stiv. For det andet, lad os ændre formen for at gøre inertimomentet bedre. Vi kan tilføje tynde vægge, kaldet ribber, til beslaget. Ribber gør delen dybere og stivere langs belastningsaksen, men de bruger ikke meget mere materiale. For det tredje kan vi lave en hurtig FEA-undersøgelse. Vi kan modellere både det nye materiale og de nye ribber i vores FEA-program. Vi anvender den samme belastning, og FEA-outputtet vil vise os den nye, mindre nedbøjning. Denne FEA-proces hjælper os med at sikre, at vores design er godt, før vi bruger penge på en ny sprøjtestøbeform.

Hvordan finder du endelig det bedste design?

Hvordan ved vi, hvornår vores design er klar? Vores mål er at finde det allerbedste design. Dette betyder et design, der er stift nok, men også koster så lidt som muligt og vejer så lidt som muligt. For at finde ud af dette, skal du først sætte dit mål. For hyldebeslaget kunne vores mål være: "Beslaget må ikke bøje mere end 0,1 tommer, når der er en belastning på 20 lbf på det."

Når vi har dette klare mål, kan vi bruge FEA til at prøve forskellige ideer.

• Idé 1: Brug en plast, der koster mere, men har høj stivhed, med en simpel form.
• Idé 2: Brug den billigere nylon, men tilføj ribber, der har en kompleks form.
• Idé 3: Brug en aluminiumslegeringsdel, der er lavet med CNC-bearbejdning.

Vi kan køre en FEA for hver idé. For hvert design finder vi ud af, hvor godt det fungerer, og hvor meget det koster. Det bedste design er det, der rammer vores 0,1-tommers bøjningsmål og koster mindst. Det er en ingeniørs job at finde en god blanding mellem disse ting. Brug af FEA hjælper os med at vælge klogt baseret på god information. Det hjælper os med at lave en struktur, der kan håndtere den belastning, den er beregnet til at bære. Det er, hvad god ingeniørkunst og godt design for stivhed handler om.

Key Takeaways to Remember

Her er de vigtigste ting, jeg har lært om at designe for stivhed ved hjælp af materialegenskaber.

• Stivhed er ikke styrke: Glem ikke, at stivhed betyder, at den kan stoppe sig selv fra at bøje (deformation), når der er en belastning. Styrke betyder, at den kan stoppe sig selv fra at gå i stykker.
• Materiale er vigtigt: Du kan se, hvor stift et materiale er, ved dets elasticitetsmodul. Et større modul betyder, at materialet er stivere.
• Form er meget kraftfuld: Formen på en del, som vi kalder dens geometri, er lige så vigtig som, hvad den er lavet af. En fantastisk måde at gøre en del stivere på er at gøre den dybere.
• Brug nye værktøjer: Tænk på Finite Element Analysis (FEA) som en hjælpsom ven. Brug FEA til at teste dine designs på en computer for at se, hvordan de vil ændre form under en belastning, før du bygger den rigtige ting.
• Bland og gør bedre: De bedste designs bruger en blanding af et godt materialevalg og en rigtig god form. Dette hjælper dig med at få den stivhed, du har brug for, samtidig med at du holder omkostningerne og vægten lav. Brug altid disse grundlæggende ideer til at gøre dine designs bedre.