Bilim.techО проекте

Выбор материала: прочность, жесткость и масса

Из чего делать кузов, раму, канат и корпус насоса? Карта Эшби на логарифмических осях: двигай линию индекса и смотри, какие материалы легче, жестче или дешевле стали при той же работе.

01 Что это такое

Лучший материал не самый прочный, а тот, что лучше всех делает именно эту работу при наименьшей массе или цене.

Сталь прочнее алюминия, но алюминиевый кузов легче стального. Дерево слабее стали, но легкая и жесткая балка из сосны тяжелее не будет. Чтобы сравнивать честно, свойства делят на плотность или цену. Получается индекс материала M: для троса это σ/ρ, для балки, которая не должна прогибаться, E1/2/ρ. Какая формула нужна, зависит от того, как деталь нагружена.

Майкл Эшби придумал рисовать все материалы на одной карте с логарифмическими осями: плотность по горизонтали, прочность или модуль по вертикали. Каждый класс материалов занимает свою область. Индекс на такой карте это прямая линия. Двигаешь линию вверх, и над ней остаются только лучшие материалы для задачи.

металлыкомпозитыдеревополимерыбетонлучшеσ / ρ = constплотность ρ, лог. шкала →σ↑
Схема карты: на логарифмических осях индекс σ/ρ = const это прямая с наклоном 1. Все, что выше линии, прочнее на каждый килограмм. Здесь это композиты, часть металлов и дерево.
σ/ρ
Удельная прочность. Прочность на единицу плотности. Чем больше, тем легче тяга или трос, который держит ту же силу.
E/ρ
Удельная жесткость. Модуль упругости на единицу плотности. У стали, алюминия и титана она почти одинаковая, около 25 ГПа·м³/т.
M
Индекс материала. Сочетание свойств, которое надо сделать наибольшим. Выводится из формулы для детали: что задано, что ищем, что минимизируем.
02 Опыт
Выбери задачу. Двигай линию. Смотри, кто выше. КАРТА ЭШБИ
МАТЕРИАЛЫ

Из чего сделать деталь?

Рис. 2.7
ГОТОВЫЕ ЗАДАЧИ
Лучший класс по индексу
Масса детали
Классов выше линии

※ Области построены по типичным диапазонам свойств классов материалов, цены мировые оптовые, примерные и показаны относительно: литр углеродистой стали принят за 1. Литр алюминиевого сплава стоит примерно столько же, литр титана в 11–25 раз дороже, литр углепластика в 8–16 раз, а литр бетона в 25–50 раз дешевле стали. Для металлов и полимеров прочность это предел текучести, для керамики и бетона прочность на растяжение.

03 Формулы по буквам

Индекс выводится из формулы самой детали

Рецепт один: пишем массу детали, подставляем условие, что она выдерживает нагрузку, и убираем размер, который можно менять. Что осталось из свойств материала, то и есть индекс. Числа под формулами считаются для материала, выбранного в опыте.

Почему для троса важно σ/ρ?

m = F · L · ρ / σ

Масса троса это сечение A на длину L и плотность ρ. Сечение должно выдержать силу: A = F / σ. Подставляем, и видно: при заданных F и L масса тем меньше, чем больше σ/ρ.

m
масса тяги или троса, кг
F, L
сила, Н, и длина, м: заданы задачей
ρ
плотность, кг/м³
σ
допускаемое напряжение материала, Па

А для жесткой балки?

m ∝ ρ / E¹ᐟ²

Прогиб консоли квадратного сечения a × a: f = 4FL³ / (E a⁴). Задан прогиб, значит a² ∝ 1/√E. Масса m = a² L ρ, поэтому балка легче, чем больше E¹ᐟ²/ρ.

f
допустимый прогиб, задан
E
модуль упругости, ГПа
a
сторона сечения: ее и подбираем
∝
«пропорционально»: постоянные множители не важны для сравнения

Почему индекс на карте это прямая?

lg σ = (1/a) · lg ρ + const

Если M = σa/ρ постоянен, то после логарифма a·lg σ − lg ρ = lg M. На логарифмических осях это прямая с наклоном 1/a. Все точки на ней одинаково хороши, выше нее лучше.

a = 1
тяга, трос: наклон 1
a = 2/3
прочная балка: наклон 1,5
a = 1/2
прочная пластина, жесткая балка: наклон 2
a = 1/3
жесткая пластина: наклон 3

Откуда берется E1/2/ρ

Консоль длиной L нагружена на конце силой F. Прогиб конца f = F L³ / (3 E I). Для квадратного сечения со стороной a момент инерции I = a⁴ / 12, поэтому f = 4 F L³ / (E a⁴).

Прогиб задан конструктором. Выразим сечение: a² = √(4 F L³ / (E f)). Масса балки m = a² · L · ρ = √(4 F L⁵ / f) · ρ / √E. Первый множитель задан задачей и одинаков для всех материалов. Остается ρ / √E: чем он меньше, тем легче балка. Значит, наибольшим надо сделать M = √E / ρ.

Тот же прием для пластины заданной ширины, у которой меняется только толщина t, дает E1/3/ρ. Поэтому на изгиб так выигрывают легкие материалы: у них можно взять сечение толще, а масса растет медленнее, чем жесткость.

FfLa × a
Прогиб показан с преувеличением. Сечение квадратное, его сторону a подбирают под заданный прогиб f.
04 Где и зачем это применяют

Индекс отсеивает лишнее, решает инженер

Допущения модели+

Каждый класс показан эллипсом по типичному диапазону плотности, модуля, прочности и цены, это упрощение настоящих карт Эшби, где области сложной формы. Ранжирование идет по центру области на логарифмической шкале, поэтому лучшие марки класса бывают заметно выше среднего. Для композитов взяты свойства вдоль волокон, поперек они в разы хуже. У дерева тоже свойства вдоль волокон. Прочность проволоки каната это ее временное сопротивление. Цены примерные, оптовые, они меняются в разы со временем и по регионам, поэтому на карте цена относительная, как на настоящих диаграммах выбора материала: литр углеродистой стали равен 1, остальные во столько раз дороже или дешевле. Карта не учитывает износ, ударную вязкость, коррозию, усталость, технологию и ремонт, а для техники рудника это часто главное.

Еще в направлении «Инженерия»

Все темы направления «Инженерия» →