Для выполнения данного задания потребуются
знания основ материаловеденья;
установленная на компьютере программа: Ansys GRANTA Selector.
Для более глубоко понимания методики выбора материала советую обратиться к моей предыдущей статье. В ней вы найдёте подробное описание методики выбора материала, которая использована ниже.
Выберем оптимальный материал на примере контейнера для переноски медицинских инструментов.
Данный пример затрагивает основные инструменты программы, поэтому изложенная ниже инструкция может помочь при решении и других задач.
Постановка задачи
Текущим материалом для контейнера является 304 сталь. Требуется подобрать такой материал, который:
Легче.
Дешевле.
Составим список ограничений, которым должен соответствовать материал:
Прозрачность.
Медицинское применение.
Ударная вязкость 5 кДж/м2.
Температура эксплуатации выше 140 С.
Решение задачи
Открываем Selector.
Выбираем сталь 304 как исходный материал, чтобы в дальнейшем сравнить с ней новый материал.
Открываем вкладку Search и заносим в строку поиска «304».
Выбираем библиотеку MaterialUniverse.
ПКМ на сталь 304 (Stainless Steel, austenitic, AISI 304, annealed), выбираем Set as Reference.
Переходим во вкладку Chart/Select для построения пузырьковых диаграмм Эшби.
В разделе Selection Data в поле Select from выбираем все твёрдые материалы MaterialUniverse: all bulk materials.
На этапе постановки задачи у нас были введены ограничения. Ударная вязкость – для того, чтобы кейс можно было ронять, и он не ломался. Температура эксплуатации выше 140ºС чтобы кейс можно было стерилизовать. Прозрачность – чтобы можно было увидеть, что внутри, не открывая кейс. Необходимо, чтобы материал было разрешено использовать в медицинских целях. Учтём эти ограничения.
В разделе Selection Stages выбираем Limit.
Указываем ударную вязкость в поле Toughness.
Указываем минимум максимальной рабочей температуры в поле
Maximum service temperature.Указываем в поле Transparency, что материал прозрачный, выбираем в поле Transparent.
Указываем, что материал может применяться в медицине, ставим галочку в поле
Medical grades.
В левом нижнем углу видим, что список возможных материалов сократился с 3195 до 9.
Видя список имеющихся материалов делаем вывод о том, что большинство из них полимеры. Предполагаем, что у нас на производстве установлен термопластавтомат. Следовательно, нам надо выбрать материалы, которые возможно перерабатывать технологией литья.
В разделе Selection Stages выбираем Tree и выбираем ProcessUniverse.
Следуем по пути: Shaping/Molding/Injection/Standard.
Выбираем Thermoplastics и нажимаем кнопку Insert, затем OK.
Сравним отобранные материалы с помощью диаграммы Эшби, которая позволяет наглядно сравнивать материалы.
В разделе Selection Stages выбираем Chart/Index
Во вкладке Y-axis выбираем величину, которая будет отложена по вертикали на диаграмме.
Выбираем Performance Index Finder чтобы определить индекс эффективности.
В графе Function and loading выбираем тип нагружения. В данном случае – пластина, работающая на изгиб (Panel in bending).
В графах Limiting Constraint и Optimize выбираем параметры оптимизации: жёсткость (stiffness) и масса (mass).
Во вкладке X-axis выбираем величину, которая будет отложена по горизонтали на диаграмме.
Выбираем Performance Index Finder чтобы определить индекс эффективности.
В графе Function and loading выбираем тип нагружения. В данном случае – пластина, работающая на изгиб (Panel in bending).
В графах Limiting Constraint и Optimize выбираем параметры оптимизации: жёсткость (stiffness) и стоимость (cost).
Нажимаем OK.
На экране появляется диаграмма Эшби. Серым цветом обозначены материла, не прошедшие отбор по критериям, указанным в пункте 5. Другими цветами обозначены материалы, которые прошли отбор. По осям отложены выбранные коэффициенты эффективности. По вертикали – единица массы на единицу жёсткости, по горизонтали – стоимость на единицу жёсткости.
По условию задачи необходимо снизить массу, следовательно, снизить коэффициент эффективности, который отложен по вертикали. По условию задачи необходимо снизить стоимость, следовательно, необходимо снизить коэффициент эффективности, который отложен по горизонтали. Таким образом наиболее эффективный материал будет в левом нижнем углу.
ПКМ на самый левый синий кружок. Появляется метка с названием материала – Поликарбонат (PC).
Сравним исходную сталь с поликарбонатом.
Исходную сталь выбрали в первом пункте.
ЛКМ по метке поликарбонат.
Выбирает Add to Comparison Table.
На экране появляется таблица, где указаны свойства исходной стали и поликарбоната. Откуда видно какие свойства отличаются и как.
Выводы
Используя методологию Эшби и Selector, нашли оптимальный материал. Новый материал обладает следующими преимуществами:
Новый материал легче исходного в 7 раз.
Стоимость снижена.
Конструкция остаётся жёсткой.
Новый материал прозрачный, что позволяет определить содержимое кейса, не открывая его.
Рассмотренный пример показывает, что, следуя методологии Эшби, можно прийти к конкретному решению о применении материала, притом решение будет оптимальным.
