ההשפעה של חומר Shaft על ביצועי מכונות

הקדמה: למה חומרי אנתרופוסופיה

שפטים הם מרכיבים בסיסיים במערכות שידור כוח מכניות, שנמצאו בכל דבר מקווי רכב ותיבת הילוכים תעשייתית לרקבים מסוקים גנרטורים טורבינות רוח.האמינות המכנית של פיר קובעת ישירות את הבטיחות, היעילות, ותוחלת החיים של האסיפה כולה.באופן מסורתי, ניתוחים הנדסיים רבים מניחים התנהגות חומרית אקוטרופית - כלומר תכונות זהות בכל הכיוונים.

Anisotropy יכול להתעורר מרקם קריסטלוגרפיה מתכות, אוריינטציה סיבים בתרכובות, או גרגר היערכות בפולימרים extruded. כאשר מהנדסים להתעלם מהריאציות כיוון אלה, הם מסכנים עיצוב פירים שלא לפני זמן רב תחת עומס. versely, על ידי חשבונאות נכונה עבור anisotropy, מהנדסים יכולים לייעל ביצועים, להפחית את המשקל, ולשפר את החיים עייפות.זה מספק בדיקה מעמיקה של איך חומרים מכניים, אפקטים מכניים, אפקטים מכניים, תכונות מכניות, עיצובית, עיצוב, אסטרטגיות אמיתיות, עיצוב, עיצוב, עיצוב, עיצובית, עיצוב, עיצוב, עיצובית, פונקציות מכניות, פונקציות מכניות, אסטרטגיות המציאות הבסיסית, עיצוב, עיצוב, עיצוב, עיצוב, אסטרטגיות אמיתיות, עיצוב, עיצוב, עיצובית, עיצובית, עיצוב, עיצוב, פונקציות מכניות, עיצוב, עיצוב, פונקציות מכניות, עיצוב, פונקציות מכניות, פונקציות מכניות, פונקציות מכניות, פונקציות מכניות, פונקציות מכניות, עיצוב, פונקציות מכניות, פונקציות מכניות, פונקציות מכניות, עיצוב, עיצוב, עיצוב, פונקציות מכניות, עיצוב, עיצוב, פונקציות מכניות, טכניקות מכניות, עיצוב, עיצוב, עיצוב, עיצוב, טכניקות מכניות, עיצוב, טכניקות מציאות מכניות, טכניקות

הבנה של חומר Anisotropy

המונחים:

אנזוטרופיה חומרית מתייחסת לריאציות של התכונות הפיזיות של החומר עם כיוון.בהקשר של עיצוב פיר, התכונות הרלוונטיות ביותר הן מודלוסות גמישות, כוח התשואה, כוח רב-עוצמה, דוקטריות, ו coefficient ההתרחבות התרמית. Anisotropy מסווגת למספר סוגים המבוססים על סימטריה של עשרות נכסים:

(ב) ⁇ :0 (אורטרופיה:0) : נכסים 1FLT) נבדלים יחד שלושה צירים חד-צדדיים. Common ב צלחות מתכת מגולמות וסיבים מורכבים unidirectional.
(FLT:0) transverse Isotropy:FLT:1 Properties הם זהים במטוס אחד (למשל, המטוס חודר אל ציר הפיר) אבל שונה בכיוון צירי.
(ב) אספסוף: לא היו מטוסים של סימטריה; תכונות משתנות באופן שרירותי עם כיוון.

הסיבות ל Anisotropy in Shaft Materials

מקורו של אנזוטרופיה בחומרי פיר ניתן לעקוב אחר שלושה מנגנונים עיקריים:

(ב) [13]:0) ⁇ ⁇ ⁇ : (ב) במהלך עיבוד תרמומאני כמו גלגול חם או זיוף, דגנים במכות פוליקריסטל מסתובבים כדי להתאים את הליטקטיים הקריסטליים שלהם באופן מעדיף לאורך כיוון העבודה.זה יוצר אוריינטציה מועדפת שמובילה להתנהגות גמישה ופלסטיק.
(FLT:0)Fiber היישור: FLT:1 פירים Composite עשויים פחמן או סיבים זכוכית משובצים במריצה פולימרית הם אנזוטרופיים מאוד על ידי עיצוב.הסיבים לשאת עומס לאורך אורך שלהם, נותן כוח גבוה ונוקשות בכיוון צירי, בעוד הממטריקס מספק תמיכה מאוחרת יותר.
(FLT:0) לחצים וסומנטריים ו ⁇ sseurural:FLT ( 1 תהליכים כמו קשיחות או משטח מתגלגל להציג אנזוטרופיה עצמאית, במיוחד בשכבות פני השטח של הפיר.זה יכול להשפיע על עייפות סדק יזום והפצת.

השפעות על ביצועי מכונות

Anisotropy משפיע כמעט על כל היבט של התגובה המכנית של פיר, מיכולת עומס סטטי להתנהגות עייפות דינמי.למטה אנו בודקים את אזורי הביצועים העיקריים שנפגעו.

כוח ועומס

ההשפעה המיידית ביותר של anisotropy היא וריאציות כוח כפונקציה של אוריינטציה עומס.חשב פיר עשוי מסגסוגת פחמן חד-צדדי מורכב: חוזקו העשש לכיוון הסיבים (0 °) עשוי להיות 1500 MPa חזק יותר, אבל ב 90 מעלות עד סיבי, טיפות כוח עד 30 MPa מתכתי בלבד, ההבדלים הם פחות קיצוניים אבל משמעותי עבור, לדוגמה, תצוגת אלומיניום יכול להיות מתאים בכיוון אחד עד 20 מטרד אחד.

התנהגות דוקטריאלית ואופנה

דוקטריות, היכולת של חומר לעיוות באופן פלסטי לפני שבר, היא גם תלויה בכיוון בחומרים אנזוטרופיים.במתים עם מרקם קריסטלוגרפיה חזק, את הזנים לכישלונ יכול להיות כפול גבוה בכיוון של משיכה דגנים בהשוואה לכיוון transverse.עבור פירטריטיס כי חייב להתאים מדי פעם overloads או לסבול תשואה מקומית, כיוון זה דו-משמעי חייב להיות אחראי על כיוון actreto-ilated בכיוון של דלקתי, אבל לא מנקה, אבל לא יכול להיות מנקה לטווח ארוך.

מתח ותוחלת חיים

(א) אנזוטרופי משנה את חלוקת הלחצים סביב תכונות גיאומטריות כגון ראשי תיבות, קווי ספירה או כתפיים.בחומרים איזוטרופיים, גורמי ריכוז הלחץ ידועים מספרי יד מכניים.עבור פירים אנזוטרופיים, אך, הגמישות הקבועים משתנים עם אוריינטציה, אשר יכול להגביר או להפחית את הלחץ.

ניקוי סדקים שומני רגיש ללחץ המקומי וכיוון חומרי.בפירים עם אנזוטרופיה חזקה, סדקים נוטים ליזום ולצמוח לאורך מטוסים של כוח נמוך או קשיחות שבר נמוכה.לדוגמה, בפיר פלדה מגולגל, סדקים עייפות לעתים קרובות propagate בכיוון ההפוך (תוספת לכיוון מתגלגל) כי נטייה יש לחץ נמוך יותר.

תגובה טורית ונדידת

עבור פיר תחת torsion, ה- Shear Modulus G הוא פרמטר קריטי.בחומרים אנזוטרופיים, ה-hear Modulus היעיל המיוצר תלוי אוריינטציה של מערכת הקואורדינט החומרית יחסית לציר הפיר.עבור פיר טרופי טרנסנדאלי (למשל, בר מתכת נוקשה נמשך), המודולולים המשתנים עבור torsion הוא לעתים קרובות שונה מן המסלולים עבור חיזוי פשוט על ידי קופלקס קשיח הוא 10Creic.

השפעה קוונטית: מודלים וניתוח

מטריקס קונסטנטיליוס והסטייפנס

(הופנה מהדף ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

« « קריטריונים ל- Anisotropic Shafts

קריטריונים לתשואות נורמטיביות (von Mises, Tresca) אינם חלים כאשר anisotropy הוא משמעותי. במקום זאת, מהנדסים משתמשים בקריטריונים כגון:

(ב) ⁇ :0 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
(ב) ⁇ :0) ⁇ : ⁇ 1 (ב) גרסה שונה, המהווה חוזקות בריונים ודחוסות שונות בכל כיוון מרכזי.
(ב) ,0) ,הקריטריון של Hill:FreaLT:1 , הפונקציה A quadratic מניבה חומרים אורתאוטרופיים, המשמש לעתים קרובות עבור גיליון מתגלגל ומוטאות extruded.

קריטריונים אלה דורשים פרמטרים כוח נחושים ניסיוני לאורך ה-xes החומרי העיקרי.אנליזה של יסוד פינט (FEA) תוכנה כגון Abaqus או Ansys יכול לשלב מודלים אלה של כשל אנזוטרופי כדי לחזות כישלונות פיר עומס מדויק יותר מאשר מודלים של איזוטרופיים.

המונחים: Finite Element Modeling

כאשר מבצעים FEA על פירים אנטרופיים, המהנדס חייב להתאים את מערכת הקואורדינט החומרי עם הגיאומטריה המקומית של הפיר.עבור פירים מורכבים (למשל, פירים מופרשים, נקודות ספירה), זה יכול להיות מאתגר.שימוש במערכות קואורדריות ציליות בתוך מודל FEA יכול לעזור, אבל טיפול נדרש בגבולות שבהם אוריינטציות חומריות משתנות, בנוסף, ייתכן שצריכה להיות צורך בדחיסות מרובות של אלמנטים לא צריך להיות השפעות ⁇ גבוהות יותר.

השלכות על תכנון הנדסי

בחירה חומרית

בעת בחירת חומר פיר, מעצבים צריכים לבקש נתונים על תכונות מכניות כיוון מן הספק.חומרים עם אנזוטרופיה נמוכה, כגון פלדות ⁇ quenched ומזג (למשל, 4140, 4340) מעובדים שיש להם מבנים דגנים דקים, שווה, הם לעתים קרובות מועדפים עבור פירים קריטיים.

אופטימיזציה

עבור פירים המיוצרים מתכות wrought, הכיוון של זרימת דגנים צריך להתאים עם מדגיש השירות העיקרי.לדוגמה, פיר כי בעיקר חוויות מתח צירי ו torsion, הכיוון מתגלגל צריך להיות מקבילים אל ציר.ב פירים bent (cranks, vulshafts), את זרימת גרגר צריך לעקוב אחר הנפיחות הפוכה על נטייה דלת-ידי אוריינטציה, עבור סיביים ספציפיים.

בדיקות והסמכת

בדיקות מכניות סטנדרטיות על חומרי פיר צריך לכלול בדיקות על דגימות לחתוך מכיוונים מרובים.עבור פירים מתכתיים, תקן ASTM E8 עבור בדיקות מתח יכול להיות מותאם על ידי חיתוך קופונים לטווח ארוך, transversely, ו 45 מעלות אל ציר הפיר.עבור פירים מורכבים, ASTM D3039 עבור תכונות של מרוכבים פולימרניים מספק שיטות עבור 0 °, °, ו- off-arops יכול לזהות חומרים גמישים כמו הערכה.

כלים עיצוביים

תוכנת עיצוב מודרנית כוללת יכולות להתמודד עם חומרים אנטרופיים.לדוגמה, Siemens NX, SolidWorks Simulation, ו- Autodesk Inventor לאפשר למשתמשים להגדיר תכונות חומריות אותטרופיות או transversely isotropic. מהנדסים צריכים לבצע מחקרים parametric כדי להבין רגישות ל anisotropy.בנוסף, אלגוריתמי אופטימיזציה יכולים לשמש כדי או להתאים את החומרים החומריים או להתאים plys בפירים כדי למזער את החוזקות תוך כדי מצמצם את החוזקות ומגבלות.

מחקרים ויישומים

רכב Driveshafts

בכלי רכב של צמיגים אחוריים, הכונן חייב לשדר מומנט המנוע אל השוני בעוד אורך עומס משתנה ועיוותים.כונן פלדה מתבצע בדרך כלל מלחיצת דגנים מעבורת משולבת עם דגנים שהושקעו בכיוון צירי.זה נותן חיים עייפות טובה חנקת הרגל אבל יכול לגרום הדבקה הפוכה נמוכה.

כורכום אווירי שפט

פירים טורבין במנועי סילון פועלים תחת טמפרטורות גבוהות, מהירויות סיבוב גבוהות, ועומס רב-אקשי מורכב.חומרים כגון Inconel 718 ו- Waspaloy משמשים לעתים קרובות בצורת מוצקה או יחיד-קלישט יחיד כדי למקסם את ההתנגדות המצטבת לאורך ציר.חומרים אלה מפגינים אנתרוטרופיה חזקה במתקני גמישות והתרחבות תרמית.

לחץ ופסולת שפטים

בדחיסות תעשייתית ומשאבות, פירים לעתים קרובות לרוץ במהירויות ליד המהירויות הקריטיות שלהם. Anisotropy בחומר פיר יכול להשפיע על המהירות הקריטית המקיפה כי הקשיחות הגמישות משתנה עם אוריינטציה.זה יכול להוביל למצבים רטט בלתי צפויים אם לא נבדק במהלך ניתוח רוטורינמי. כמה יצרנים לבצע בדיקות מודולליות על פירים כדי לזהות הבדלים נוקשות ולטפל בנוקשות בהתאם.

מסקנה

אנטרופיה חומרית של שפט אינה רק שיקול תיאורטי; יש לה השלכות אמיתיות, קוונטיות על כוח, דוקטריות, חיי עייפות והתנהגות דינמית.מהמעבדה לקומה הייצור, מהנדסים חייבים לזהות כי חומרים הם לעתים רחוקות איזוטרופיים. על ידי הבנת מקורות של anisotropy, תוך שימוש בטכניקות בדיקה מתאימה ומודלים, והשגת בחירות מושכלות, הביצועים המכניים של פירים יכולים להיות מתקדמים באופן מדויק לתהליכים תעשייתיים ומתקדמים.