MALZEME- Tasarımda Malzeme Seçimi

Ebat: px

Şu sayfadan göstermeyi başlat:

Download "MALZEME- Tasarımda Malzeme Seçimi"

Alp Açık
5 yıl önce
İzleme sayısı:

1 MALZEME- ŞEKİL L SEÇİMİ Tasarımda Malzeme Seçimi Tasarımda malzeme seçimi; sadece malzeme özellikleri dikkate alınarak yapılır, şekil dikkate alınmaz. Parça yada yapılar, şekillendirilmiş malzemelerdir ( Şekil 1). 1

Malzeme-Şekil İlişkisi Şekil 1 Malzeme Şekil ilişkisi Malzeme Verimi Malzeme verimi, şekil - malzeme kombinasyonu ile elde edilir. Belirli yükleme durumlarında, kesitin biçimi önem kazanmaktadır.

2 Malzeme-Şekil İlişkisi Şekil 1 Malzeme Şekil ilişkisi Malzeme Verimi Malzeme verimi, şekil - malzeme kombinasyonu ile elde edilir. Belirli yükleme durumlarında, kesitin biçimi önem kazanmaktadır. Şekil (biçim) bir değişken olduğunda, bazı performans indislerinde şekil yada biçim faktörü olarak isimlendirilen bir terim ortaya çıkar. Mekanik dayanım, genelde malzemenin biçim ile olan kombinasyonudur. Parça üzerindeki yüklemeler genellikle eksenel, eğme yada burulma şeklindedir. Bir bağlantı parçası eksenel yükleri taşırken, kiriş eğilme momentlerini, şaft burulma momentini, kolon ise basma yükünü taşır. 2

3 Şekil 2 Yükleme şekilleri Eksenel gerilmede, şekil değil kesit alanı önem kazanmaktadır. Aynı alana sahip bütün kesitler aynı yükü taşırlar. Eğilmede ise farklıdır yani, içi boş yada I- kesitli kirişler aynı kesit alanına sahip farklı şekilli kiriş ile kıyaslandığında daha iyi dayanıma sahiptirler. Burulmada da böyledir. Diğer bir deyişle, örn. Dairesel tüpler, içi dolu ve I- kesitli biçimli olanlara kıyasla dayanım açısından daha iyidirler. Dayanım artışına etki eden önemli faktörlerden biri şekil faktörüdür. 3

4 Şekil Faktörü Şekil (biçim)faktörü Φ simgesi ile gösterilir, boyutsuzdur ve şekle bağlıdır. Şekil faktörü, her yükleme modunda kesit şeklinin verimini ölçer. Diğer bir deyişle, şeklin veya biçimin yapısal kazancını ifade eder. Şekil Faktörü Rijitliğin esas olduğu tasarımlarda şekil faktörü : Kirişlerin elastik bükülmesi için şekil faktörü : ΦeB olarak alınır. Şaftların elastik burulması için ise şekil faktörü : ΦeT olarak alınır. Burada, B : eğme,bükme T : burulma e : elastik 4

5 Dayanımın esas olduğu ( plastik akma yada kırılmanın istenmediği) tasarımlarda şekil faktörü : Kirişler için şekil faktörü : ΦfB Şaftlar için şekil faktörü : ΦfT f: hata,bozulma İçi dolu dairesel kesitli çubuk için ; ΦeB, ΦeT, ΦfB ve ΦfT olarak ifade edilen dört şekil faktörü de 1 e eşittir. Elastik Uzama ve burulma Verilen yük altında, bağlantı parçasının uzaması veya payandanın) kısalması şekil 2(a) da kesitin alanına bağlı olarak verilmiştir.şekil faktörü gerekli değildir. Kesit şekline bağlı şekil faktörleri Çizelge 1 de verilmiştir. Çizelge 1 Kesit şekline bağlı olarak şekil faktörleri 5

6 Çizelge 1 Kesit şekline bağlı olarak şekil faktörleri Çizelge 2 Kesit şekillerine göre alan momentleri 6

Şekil 3 de de gösterildiği gibi mekanik verimlilik, malzeme ve makroşekil kombinasyonundan elde edilir Malzeme Makroşekil Şekillendirilmiş malzeme (φ) Şekil 3 Malzeme ve makroşekil

7 Şekil 3 de de gösterildiği gibi mekanik verimlilik, malzeme ve makroşekil kombinasyonundan elde edilir Malzeme Makroşekil Şekillendirilmiş malzeme (φ) Şekil 3 Malzeme ve makroşekil kombinasyonu Şekil 4 de ise aynı şekilde ancak boyutları farklı olan dikdirtgen ve I-profiller için şekil faktörleri görülmektedir. Şekil 4 dikdirtgen ve I-profiller için şekil faktörleri 7

8 Standart Kesitlerin Verimi Kirişler, şaftlar ve kolonlar için standart kesitler genellikle prizmatik dir. Prizmatik şekillere;kolaylıkla haddeleme,ekstrüzyon, çekme, sürekli çekme (kompozitlerden sürekli imalat yöntemiyle çubuk, boru gibi sabit kesitli parçalar yapma) ve testere ile kesme gibi işlemler uygulanabilir. Standart Kesitlerin Verimi Şekil 4 de prizmatik şekillerin sınıflandırılması görülmektedir. Prizmatik kesitler; içi dolu, tüb yada kutuda olduğu gibi kapalı boşluk yada açık boşluk ( örn. I-, U-, L- kesit ) şeklinde olabilir. 8

9 Şekil 5 Prizmatik şekillerin sınıflandırılması Şekil Faktörleri İçin Malzeme Limitleri Verilen malzemelerin şekil faktörlerini oluşturan sınırlar; imalat şartlarından, bölgesel burulmaya kadar her şey olabilir. Örn. Çelik çekilerek ince çeperli boru elde edilebileceği gibi, haddeleme, katlama yada kaynak yöntemleriyle de şekillendirilerek verimli I- kesitli parçalar üretilebilir. Böylece de şekil faktörü, genelde 5 gibi yüksek değerine ulaşabilir.. 9

10 Şekil Faktörleri İçin Malzeme Limitleri Tahta kolaylıkla şekillendirilemez.. Kontroplak teknolojisi sayesinde, boru yada I- kesitli şekle getirilmesi teoride mümkün ancak pratikte zordur. Bu nedenle de şekil faktörün 5 den fazla olması nadirdir. Burda etken üretim kısıtlamalarıdır. Aynı sorunlar kompozitl esaslı ince et kalınlığındaki parçaların eldesinde de karşımıza çıkmaktadır Şekil Faktörü Üst Limitleri Çizelge 3 de malzemeye bağlı basit şekiller için şekil faktörünün üst limitleri verilmiştir. Şekil verimi için üst limitler çok önemlidir. Üst limitler, hafif yapıların tasarımı için bellidir. Hafif yapılarda malzeme miktarı en aza indirilmelidir 10

11 Çizelge 3 Şekil faktörlerinin üst limitleri Şekil İçeren Malzeme İndisleri Belli bir yükleme biçiminde,malzeme ve kesit şekline bağlı olarak performansın maksimum olabilmesi aşağıda verilmiştir. Bağlantı parçasının eksenel gerilmesi Bağlantı parçasının hasar olmaksızın taşıyabileceği yük, sadece kesit alanına bağlı olup kesit şekli önemli değildir. Bütün kesit şekillerinde minimum ağırlıkta rijitlik için malzeme indisi; M = E / ρ olarak alınır. 11

12 Kirişlerin elastik eğilmesie Kiriş için, rijitlik ve uzunluk spesifik olduğundan kütlesi de minimum olmalıdır. Aynı şekilli kirişler için şekil faktörü sabittir. Bu durumda malzeme indisi M = E1/2 / ρ değerinin maksimum olmasıdır. Eğer kesit biçimleri ve üretildikleri malzemeler farklı ise, hem rijit hem de çok hafif kiriş için şekil faktörü de dikkate alınarak malzeme indisinin en büyük değeri alınır. [E ΦeB ] 1/2 M = ρ Şaftların n burulması Aynı yol şaftların elastik burulmasında da izlenir. Kesit biçimleri ve malzemeleri farklı iki şaft üretilecek ve bunlar birbiri ile karşılaştırılacaksa en iyi malzeme şekil faktörü kombinasyonu malzeme indisinin en büyük olduğu değerdir. [Φe T E ] M = ρ olarak alınır. Kayma modülü G, Young modülüne yakındır.pratikte, olarak alınır. G= 3 / 8 E 12

13 Kiriş ve şaftlarda hasar Kiriş,eğilme zorlamasına maruz kaldığında belli bir yük altında hasar görmemelidir ve kütlesi de minimum olmalıdır. Kiriş şekli dikkate alınmadığında, σ f, malzemenin hasar dayanımıdır. M = σ 2/3 / ρ değeri maksimum olmalıdır. Hasarsız kirişte en iyi malzeme- şekil kombinasyonu için malzeme indisi maksimum olmalıdır. ( Φf B σf ) 2/3 M = ρ Şaftlarda ise aynı yol izlenir. Performansın maksimum olabilmesi için aşağıda verilen malzeme indisinin maksimum değeri alınır. ( ΦT f σf ) 2/3 M = ρ Mikroskobik ve Mikroyapısal Şekil Faktörü Malzemenin mikroskobik yapısı; onun şekil alabilirlik. yoğunluk, sertlik, tokluk gibi özelliklerini etkiler. Mikro yapısal yada mikro yapı şekil faktörü şekil faktörü ψ indisi ile verilir. Makroskobik şekil faktörü ise Φ indisi ile verilir. Şekil 5 de verimli yapılar ( parçalar)için makroskobik şekil ile mikroskobik şekil bir arada alınmalıdır. Şekil 5 Yapının verimini sağlayan makroskopik şekil ile kombine edilebilir. 13

Malzeme ve şeklin birlikte seçimi; bir çok yöntemle örn. hesaplama ve malzeme seçim diyagramı kullanılarak yapılabilir.. Çizelge 4 de hafif, rijit kiriş için malzeme ve şekil seçimi verilmiştir.

14 Malzeme ve şeklin birlikte seçimi; bir çok yöntemle örn. hesaplama ve malzeme seçim diyagramı kullanılarak yapılabilir.. Çizelge 4 de hafif, rijit kiriş için malzeme ve şekil seçimi verilmiştir. Çizelge 4 hafif, rijit kiriş için malzeme ve şekil seçimi Φmax. : müsaade edilen maksimum şekil faktörü Şekil 6 da ise hafif ve rijit kiriş için malzeme seçiminde faydalanılması gereken malzeme seçim diyagramı verilmektedir. Aynı yöntem şaftlar için de uygulanır. Şekil 6 hafif ve rijit kiriş için malzeme şekil seçim diyagramı 14

15 Şekil 7 hafif, dayanıklı kiriş için malzeme - şekil seçimi diyagramı Çizelge 5 şekil faktörü tanımlarını vermektedir. Çizelge 5 Şekil Faktörü tanımları 15

16 Planörlerin Kanat Ana Kiriş Malzemesinin Seçimi Fonksiyon: Kanat ana kirişleri Amaç : Minimum kütle Kısıtlar : Belirlenmiş rijitlik ve belirli uzunluk Çizelge 6 Şekil Faktörü İndisleri 16

17 Çizelge 6 dikkate alınarak malzeme indeksi olarak alınır. Hesaplamalarda indeksin en büyük değeri alınmalıdır. Malzeme seçim diyagramı yardımıyla malzeme seçimi yapılırsa; Eşitliklerini dikkate almak gerekir. Kanat ana kiriş malzemeleri Çizelge 7 de toplu olarak verilmiştir. Çizelge 7 Kanat ana kiriş malzemeleri Al boru için şekil faktörü φ = r / t = 20 iken CFRP için φ = 10 dur. 17

18 Malzeme Seçimi: Son 20 yıldır gelişmekte olan karbon fiber teknolojisi pazarda yerini almaktadır. Alüminyum halihazırda kullanılmaktadır Ancak en iyi seçim CFRP ( karbon fiber takviyeli plastik) dir. Çünkü, şekil faktörü φ = 10 olduğundan kanadın performansını arttırır. 18

19 Malzeme Şekil Faktörü Sözlüğü Shape factor : şekil faktörü Tie : bağlantı parçası, kayıt, çubuk Beam : kiriş Shaft : şaft, mil Column : kolon Failure : hata, bozukluk Tensile load : eksenel yük Bending moment : eğilme momentleri Torson : burulma Compression : basma, sıkıştırma Macroshape : makro şekil Shaped material : şekillendirilmiş malzeme Stiffness : rijitlik, katılık Yield strength : akma dayanımı Fracture : kırılma Malzeme Şekil Faktörü Sözlüğü Buckling : eğilme, burkulma Closed-hollow : bir tarafı kapalı delik Open-hollow : açık delik Circular : dairesel Rectangular : dikdörtgen biçiminde Complex : karmaşık, grift Hot rolled : sıcak haddelenmiş Coldrolled: soğuk haddelenmiş Softwood : testere ile kesilmiş yumuşak ağaç ( çam ) Pulruded GFRP : sürekli çekilmiş cam fiber takviyeli plastik matrisli kompozit Taxonomy : sınıflandırma bilimi Attribute : vasıf. Nitelik Structural steel : yapı çeliği CFRP : karbon lif takviyeli plastik matrisli kompozit GRFP : cam lif takviyeli plastik matrisli kompozit 19

20 Kaynakça Ashby,M.F. Materials Selection In Mechanical Design,Second Edition,ISBN

Benzer belgeler

MALZEME- 08.04.2009 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN EKER

MALZEME- 08.04.2009 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN EKER MALZEME- ŞEKİL L SEÇİMİ Tasarımda Malzeme Seçimi Tasarımda malzeme seçimi; sadece malzeme özellikleri dikkate alınarak yapılır, şekil dikkate alınmaz. Mekanik tasarım; malzemeyi olduğu kadar şekli (biçimi)