GIRIŞ Malzeme seçimi, fonksiyon tarafından belirlenir. Şekil bazen seçimi etkiler. Bu kısımda şekil dikkate alınmadan malzeme seçimine değinilecektir.

Transkript

1 MALZEME SEÇİMİ

2 GIRIŞ Malzeme seçimi, fonksiyon tarafından belirlenir. Şekil bazen seçimi etkiler. Bu kısımda şekil dikkate alınmadan malzeme seçimine değinilecektir.

3 1. İSTENEN ÖZELLİK PROFİLİNİ BELİRLEYİN! 2. EN İYİ EŞLEŞMEYİ BULMAK İÇİN BUNU GERÇEK MÜHENDİSLİK MALZEMELERİYLE KIYASLAYIN!

4 MALZEME SEÇIM STRATEJISI Malzeme krallığının sınıflandırılması ve nitelikleri. Bilgisayar tabanlı yazılım programlarında depolanan verilerin hiyerarşik yapılanmasına örnek. Özellik-profiline göre krallıktan nitelikleri en uygun olan malzeme tasarım için seçilir.

5 MALZEME SEÇIM STRATEJISI 1.Çeviri: tasarım gereksinimleri, sınırlamalar, amaç 2.Ayırma/eleme: bu işi yapamayacak malzemelerin listeden çıkarılması 3.Sıralama: bu işi yapabilecek en iyi malzemelerin listesi 4.Belgeleme: var olan ve benzeri yerlerde kullanılanların listesi

6 Basit kısıtlar: aracın aday ürün olabilmesi için sağlaması gerekir Mevcut araba bilgileri Sınır kısıtı: araba min. 150 hp olmalı. Daha fazla da olabilir AMAÇ Teslimat süresi, koltuk konforu, garanti süresi vb. özelliklerin istenebilirliğine karşı maliyetteki küçük farklılıkları tartılır! KARAR AŞAMASI Kısıtlar ayırma için kullanılır Maliyet sıralama için kullanılır En uygun 3-4 model ek bilgi için kullanılır

7 Aracın gereksinimleri açıktır: kapı sayısı, yakıt türü, güç vb. Bunların hepsi üretici tarafından açıkça listelenmiştir. Bir ürünün herhangi bir bileşeninin tasarım gereksinimleri, yapması gereken şeyi belirtir ancak malzemelerinin hangi özelliklere sahip olması gerektiğini belirtmez!

8 MALZEME SEÇIM STRATEJISI 1. Adım: Çeviri Tasarım gereksinimlerini, malzeme veritabanına uygulanabilecek kısıtlamalara ve hedeflere dönüştürme. Tasarım gereksinimleri doğrultusunda yapılması gereken analizler: i. Fonksiyon: Bu parça ne yapacak? Seçenekleri sınırlandırma! ii. Amaç: Hangi özel şartların sağlanması lazım iii. Kısıtlamalar: maksimize ve minimize edilmesi gerekenler ne? iv. Serbest değişkenler: hangi tasarım değişkenleri serbest Neyi değiştirebilirim? Gerekli olan ne?

9 1. ADIM: ÇEVİRİ Belirli parametreler amacı optimize etmek için ayarlanabilir; tasarımcı, tasarım gereksinimleri tarafından kısıtlanmayan ölçüleri değiştirebilir ve en önemlisi, bileşen için malzeme seçmek konusunda serbesttir. Bunlara serbest değişkenler deniliyor. Fonksiyon, kısıtlar, hedefler ve serbest değişkenler, malzeme seçimi için sınır koşullarını tanımlar. Tasarım gereksinimlerini malzeme özellikleriyle ilişkilendirmenin ilk adımı açık bir fonksiyon, kısıtlama, amaç ve serbest değişken ifadesidir.

10 Fonksiyon: Yüzün ön kısımını ve yan kısımlarını korumak Kısıtlamalar: Kalıplanabilirlik (kıvrımlı yüzey) ve şeffaflık. Amaç: Siper yüzü korumak için olabildiğince yüksek kırılma tokluğuna sahip olmalıdır. (Kıc değerinin maksimuma çıkarılması) Tedarikçilerin veri sayfalarından, el kitaplarından, web tabanlı kaynaklardan veya malzeme seçimi yazılımlarından alınan malzeme özelliklerinin veritabanı.

11 MALZEME SEÇIM STRATEJISI 2. Adım: Ayırma (ayıklama) Bir sonraki görev, kısıtlamaları karşılayamayan malzemeleri ortadan kaldırmaktır. Çünkü niteliklerinden biri veya daha fazlası sınırlamaların dışında kalır. Örnek olarak, "bileşenin kaynar suda çalışması" gerekliliği veya "bileşenin şeffaf olması" gerekliliği, başarılı adayların karşılaması gereken maksimum servis sıcaklığı ve optik şeffaflık özelliklerine açık sınırlar getirmektedir. Bunlara, özellik sınırları denir. Metal? Seramik? Cam? Polimer? Elastomer? Hibrit? Kompozit?

12 MALZEME SEÇIM STRATEJISI 3. Adım: Sıralama Ayırma işleminden geçen malzemeler, mükemmellik kriterini karşılama yeteneklerine göre sıralanır (maliyeti en aza indirgemek veya darbe direncini maksimize etmek gibi). Eğer birden fazla malzeme uygun ise; Hangisi en iyisi? Diğer faktörler ve parametreler nedir? Malzeme İndisleri Kullanılmalı!!

13 SİPER İÇİN AYIRMA VE SIRALAMA AYIRMA, işi yapabilen adayları belirler; SIRALAMA, aralarında bu işi en iyi şekilde yapabilenleri belirler.

14 MALZEME SEÇIM STRATEJISI 4. Adım: Belgeleme (Dökümantasyon) En umut verici adayları derinlemesine araştırmak, bunların günümüzde nasıl kullanıldıklarını, başarısızlıkların vaka incelemelerini ve onlarla en iyi nasıl tasarım yapılacağını incelemek. Belgeleme, tasarım gereksinimleri ve malzeme özellikleri arasında kesin bir eşleşme yapılmasını sağlayarak, kısa listeyi nihai bir seçimle daraltmaya yardımcı olur. Arıza analizleri Korozyon detayları Kullanılabilirlik Fiyatlandırma...

15 SİPER İÇİN BELGELEME

16 YEREL KOŞULLAR Rakip adaylar arasındaki nihai seçim çoğunlukla yerel koşullara bağlı olacaktır: kurum içi uzmanlık veya ekipman, yerel tedarikçilerin durumu vb. Yerel nedenlerden ötürü belirlediğiniz malzemenin kullanılmamasına karar verildiyse bile, hangi malzemenin en iyi olduğunu bilmek her zaman önemlidir.

17 MALZEME İNDİSLERİ Kısıtlamalar malzeme limitlerini belirler. Amaçlar, sınır değerleri aramamız gereken malzeme indislerini tanımlar. Amaç bir kısıtlamaya bağlanmadığında, malzeme indisi basit bir malzeme özelliğini ifade eder. Bunun yerine ikisi birleştiğinde, indis yukarıda belirtilenlerin oluşturduğu bir özellik grubu haline gelir.

18 Bir bileşen üzerindeki yük genellikle eksenel gerilme, eğme, burulma ve basmanın bazı kombinasyonları şeklinde bileşenlerine ayrılabilir. Hemen her zaman, bir mod hakimdir. Bileşene verilen işlevsel ad yükleme şeklini tanımlar: Bağlantı çubukları gerilme yükleri taşır; kirişler ve paneller eğilme momentleri taşır; miller tork taşır; kolonlar bası yönünde eksenel yükleri taşır. "çubuk", "kiriş", "mil" ve "kolon" kelimelerinin her biri bir fonksiyonu ifade eder.

19

20 KÜTLEYİ AZALTMAK: HAFİF VE GÜÇLÜ BAĞLANTI ÇUBUĞU Kesintisiz bir çekme kuvveti F * taşımalı ve mümkün olduğunca hafif olmalıdır. L uzunluğu belli ancak kesit alanı A belirlenmemiştir. Burada, "performansı en üst düzeye çıkarmak", «aynı F * yükü taşınırken kütleyi azaltmak" anlamına gelir. Çevrilmiş tasarım gereksinimleri:

21 Malzeme İndisleri ve Nitelik Limitleri Bir hafif, dayanıklı bağlama çubuğu için malzeme indisi İlk olarak miktarı maksimum ya da minimum yapmak için bir denklem tanımlanmalıdır. Bağ için ağırlığı aşağıdaki gibi tanımlayabiliriz ve bu denklem amaç fonksiyonu olur. Burada A çubuk kesit alanı, r yoğunluğu ifade eder. L ve F tanımlanıp sabitlenirler, kesit alanı serbestliktir. Böylece, A yı küçülterek ağırlığı azaltılmış oluruz. Fakat kesit alanın uygulanan çekme kuvvetini karşılaması sınırlayıcımızdır. Kesit alanını (A) iki denklem kullanarak yok edebiliriz.

22 Malzeme İndisleri ve Nitelik Limitleri Bir hafif, dayanıklı bağlama çubuğu için malzeme indisi Malzeme özelliği Foknsiyonel kısıt Geometrik kısıt Güvenli şekilde F kuvvetini taşıyacak en hafif bağ üretim malzemesi en küçük r/s f değerindedir. Bunu (r/s f ) malzeme indis problemi olarak tanımlayıp en küçük değer aranır. Fakat genelde özgül özellikler ile ilgilenildiğinde en yüksek değer aranır. Dolayısıyla malzeme özellikleri denkliği ters çevrilir ve malzeme indisi M tanımlanır.

23 Malzeme İndisleri ve Nitelik Limitleri Bir hafif, dayanıklı bağlama çubuğu için malzeme indisi En büyük indis değeri (özgül dayanım) ile en hafif bağ çubuğunu F yükünü güvenli olarak taşıması grafiklerde gösterilir. Benzer hesap bir hafif rijit bağ için yapıldığında indis Bu sefer malzeme indisi özgül rijitlik olur ve bu da aynı grafiklerde gösterilir.

24 Malzeme İndisleri ve Nitelik Limitleri Bir hafif, dayanıklı bağlama çubuğu için malzeme indisi Dayanıklı ve rijit çubuk

25 MALZEME İNDISLERI VE NITELIK LIMITLERI Isınan Mikroçiplerde Isı Emilimi Mikroçipler miliwat mertebesinde enerji kullansalarda alınan güç sadece çok küçük bir hacime yayılmakta dolayısıyla güç yoğunluğu yüksek olmaktadır. Çipler küçüldükçe ve hızları arttıkça, ısı bir sorun olmaya başlıyor. Bugün 85 o C lerdeler ve soğutulmaları gerekiyor. Isınma, çiplerin altındaki ısı emiciler ile kontrol ediliyor ve geleceğin elektronik gelişiminde önemli bir yer tutuyor.

26 Malzeme İndisleri ve Nitelik Limitleri Isınan Mikroçiplerde Isı Emilimi Çip ile Isı emici arasında elektrik çifti oluşumunu engellemek istiyorsak, ısıl emici iyi bir yalıtkan yani elektriksel direnci yüksek fakat ısıyı olabildiğince hızlı emip uzaklaştırabilen dolayısıyla yüksek ısıl iletkenliği olması istenir. i. Fonksiyon: Isı emici ii. Amaç: Yüksek ısıl iletkenlik iii. Kısıtlamalar: Malzeme iyi bir yalıtkan: r e > m.cm tüm boyutları tanımlı iv. Serbest değişkenler: Malzeme seçimi

27 Malzeme İndisleri ve Nitelik Limitleri Isınan Mikroçiplerde Isı Emilimi

28 Malzeme İndisleri ve Nitelik Limitleri Isınan Mikroçiplerde Isı Emilimi Kısıtlamamıza göre Malzemenin iyi bir yalıtkan, r e > m.cm olması için grafikte değeri ve sağında kalan malzemeler kısıtlamamızı sağlarlar. Daha sonra amaç olarak yüksek ısıl iletkenlik istiyoruz. Buna göre grafikte seçim alanı belirlenir.

29 Malzeme İndisleri ve Nitelik Limitleri Isınan Mikroçiplerde Isı Emilimi

30 Malzeme İndisleri ve Nitelik Limitleri Isınan Mikroçiplerde Isı Emilimi Serbest değişkenlerin de malzeme seçiminde sınır değerlerine göre seçim bölgesinde alümina ve alüminyum nitrür kalıyor. Bunlardan web üzerinde araştırma yapıldığında bu konularda alüminyum nitrür üzerine Ek bilgi mevcut olduğu görülmektedir.

31 Malzeme İndisleri ve Nitelik Limitleri Elektrik İletim Hatları Elektrik bugün yeraltından ve kuleler vasıtasıyla yukarıdan taşınmaktadır. Fakat ikincisi daha ekonomiktir ve dolayısıyla yaygın olarak kullanılır.

32 Malzeme İndisleri ve Nitelik Limitleri Elektrik İletim Hatları Kuleler masraflı olduğu için mümkün olduğunca kuleler arası mesafenin büyük olması istenir fakat bunun yanında elektrik direncine bağlı kayıpların minimum olması istenir. Kuleler arasındaki mesafe rüzgar ya da buzlanma nedenli salınımlardan kaynaklı gerilmeleri karşılayabilmeli. Şayet mesafeyi L en az 80 MPa gerilim (s f ) karşılayacak şekilde sabitlersek (kısıtlama). Amacımız sadece düşük dirençli (r e ) malzeme ihtiyacıdır.

33 Malzeme İndisleri ve Nitelik Limitleri Elektrik İletim Hatları

34 Malzeme İndisleri ve Nitelik Limitleri Elektrik İletim Hatları Dolayısıyla dayanım eleme (ayırma) ve direnç ise sıralama stratejisi olarak kullanılır. Buradan s f - r e grafikleri olsaydı direk malzemeler söylenebilirdi fakat yazılım programları dışında elimizde böyle bir grafik olmadığında, l - r e grafiğinden en düşük dirençli malzemeler seçilip bunlardan hangisi ya da hangilerinin dayanımı bizim kısıtlamamızı sağladığı s f r grafiklerinden test edilir.

37 Malzeme İndisleri ve Nitelik Limitleri Bir hafif, rijit kiriş için malzeme indisi Çoğu mühendislik uygulamasında çekmeden ziyade eğme baskındır örneğin tavan bağlantıları gibi. Burada kısıtlama rijitliktir ve fazla esnememesi istenir.

38 Malzeme İndisleri ve Nitelik Limitleri Apendiks Bir hafif, rijit kiriş için malzeme indisi Ek bilgiler (Apendiks) kullanılarak bir denklem türetilir. Eğilme direnci

39 Malzeme İndisleri ve Nitelik Limitleri Bir hafif, rijit kiriş için malzeme indisi Bu denklemde sırasıyla: fonksiyonel ihtiyaçlar, geometrik ve malzeme Malzeme indisi olarak tanımlanır. Şayet malzemenin kesit alanı değişir ise sadece bir kenarı (W) ve boyu (L) sabit tutulup diğer kenarı (t: kalınlığı) değişir ise o zaman malzeme indisi şu şekilde tanımlanır.

40 Malzeme İndisleri ve Nitelik Limitleri İndislerinin çıkarılması Bir yapısal elemanın performans ölçütü 3 parametre ile belirlenir. Optimum tasarım, P'nin arzulanabilirliğine veya aksine, P'yi maksimize eden veya en aza indiren malzeme ve geometri seçimi anlamına gelir.

41 Malzeme İndisleri ve Nitelik Limitleri İndislerinin çıkarılması Her parametre grubu ayrı ayrı olarak yazılabilir. Böylece her f birer ayrı fonksiyondur ve basitçe denklikte birbirleri ile çarpımını gösterir. Bu şekilde ayrı ayrı ifade edildiklerinde ise optimum malzeme seçiminin (M) tasarım detaylarında bağımsız olduğu aynı şekilde geometrinin (G) ve fonksiyonel gereksinimlerinde (F) birbirinden bağımsız olduğu görülmektedir. Bu oldukça basitlik sağlar tüm G ve F fonksiyonları için performansın maksimum olması malzeme seçiminin maksimum olmasıyla sağlanır. Buna da kısaca malzeme indisleri denir. Diğerleri yapısal indisler daha sonra incelenecektir.

42 Malzeme İndisleri ve Nitelik Limitleri İndislerinin çıkarılması Her bir fonksiyon, kısıtlama ve amaç kombinasyonu bize bir malzeme indisi vermektedir. Şekilde bir örneği verilmektedir.

43 Malzeme İndisleri ve Nitelik Limitleri

44 Çeviri: Seçim Prosedürü Tasarım tarafından sınırlandırılan malzeme niteliklerini belirleyin. Mükemmeliyet kriteri için neyi kullanacağınıza (en aza indirmek veya maksimize etmek) karar verin. Kısıtlamalardan birini kullanarak herhangi bir serbest değişkeni yerine koyun. Mükemmellik kriterini optimize eden malzeme özelliklerinin kombinasyonunu inceleyin.

45 Çeviri: Seçim Prosedürü

46 Ayırma: Seçim Prosedürü Malzeme seçim grafiklerinde nitelik limitleri yatay ve dikey çizgilerle belirlenir. E - r grafiğinde tasarım limitleri: E >10 GPa ve r< 3 Mg/m 3 olarak belirtilmiştir. Optimum araştırma bölgesi kutu ile Sınırlandırılmıştır. Search region

47 Sıralama: Seçim Prosedürü Sonraki basamak, parçanın performansını maksimum yapmak için özellik limitlerini sağlayan malzemeleri incelemekte. Bir örnek tasarım olarak hafif ve rijit parçalar ele alındığında. Malzeme indisleri (E/r), (E 1/2 /r) ve (E 1/3 /r) çizilir. Belirli katsayılarda eğimi gösterir. Bu çizgilere seçim kılavuz çizgileri denir.

48 Sıralama: Seçim Prosedürü Hafif,rijit panel Hafif,rijit kiriş Hafif,rijit çubuk

49 Sıralama: Seçim Prosedürü Malzeme indisi (E 1/2 /r) için 0,1 ile 3 değerleri arasındaki birim katsayısı kılavuz çizgileri görülmektedir. Burada M=1 katsayılı kiriş malzemesi M=0,1 katsayılı kiriş malzemesinden 10 kat daha hafiftir.

50 Sıralama: Seçim Prosedürü Malzeme seçim alanını sınırlandırmak ve aday malzeme sayısını azaltmak için, diyagonal seçim çizgisi çizilir. Nitelik limiti eklenir ve seçim penceresi daraltılır. Burada E > 50 GPa göre gösterilmiştir.

51 Sıralama: E 1/3 /ρ sabit hattında yer alan tüm malzemeler aynı derecede hafif, rijit bir panel gibi performans gösterir; Çizginin üstündekiler daha iyi; altındakiler daha kötüdür. Şekilde, E 1/3 /ρ= arasındaki kılavuz çizgileri verilmiştir. M = 2 olan bir malzeme, M = 0.2 olanın ağırlığının onda biri iken aynı rijitliğe sahip bir panel malzemesidir. Nitelik sınırları eklenerek arama penceresi daraltılabilir: E> 50 GPa'ya karşılık gelen, yatay bir çizgi olarak gösterilir.

52 Belgeleme: Seçim Prosedürü Potansiyel aday malzemelerin sıralamasında bir kısa listeye sahibiz. Son adım, bu malzemelerin karakterlerini derinlemesine araştırmaktır. Kısıtlamalar listesi genellikle basit nitelik sınırları olarak ifade edilemeyenleri içerir. Bunların birçoğu, belirli bir çevrede maddenin davranışı veya maddenin şekillendirilebilirliği, birleştirilebilirliği gibi durumlarla ilgilidir. Bu tür bilgiler el kitaplarında, üreticilerin veri sayfalarında ve bilgisayar tabanlı kaynaklarda bulunabilir.

53 YAPISAL İNDİS Bu ders malzemenin ve süreç seçiminin konularına, malzeme indisine ve şekle odaklanır. Bununla birlikte, yapısal indisini kısmen optimum tasarımın klasik teorisiyle bağlantı kurmak için kısmen de yapıların boyutları küçültüldüğünde kullanışlı hale geldiği için kısaca incelemeliyiz.

54 YAPISAL İNDİS Minimum kütle için tasarımda, tasarım verimliliğinin bir ölçüsü m/l 3 ile verilir. m/l 3 yoğunluğun ölçüsüdür; Bu sözde yoğunluk ne kadar düşük olursa, belirli bir ölçek için yapı hafifleşir ve bu nedenle yapısal verimlilik artar. YAPISAL İNDİS MALZEME İNDİSİ Hafif,rijit çubuk Hafif,rijit kiriş Hafif,rijit panel