Clasificación: índice de materiales

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1 Clasificación: índice de materiales Mike Ashby Department of Engineering University of Cambridge M F Ashby, 2011 For reproduction guidance see back page This lecture unit is part of a set created by Mike Ashby to help introduce students to materials, processes and rational selection The Teaching Resources website aims to support teaching of materials-related courses in Design, Engineering and Science Resources come in various formats and are aimed primarily at undergraduate education Some of the resources are open access and students can access them Others are only available to educators using CES EduPack

2 Reseña El filtrado elimina los candidatos que no cumplen con las restricciones impuestas Cómo clasificar los que se mantienen? Los índices de materiales realizan esta función Demo Sesiones prácticas Fuentes Materials: engineering, science, processing and design, 2 a Edición, Capítulos 3, 4 y 6 Materials Selection in Mechanical Design, 4 a Edición, Capítulos 5 y 6 M F Ashby, 2011

3 Qué es un índice de material? La función de un componente está limitada por: Una propiedad del material, ej conductividad térmica, λ Un grupo de propiedades, ej Módulo de Young /densidad E / ρ Índices de material para el diseño Cómo encontrarlos? Libros enumerados en la diapositiva 1 File Edit View Select Tools Window Help Feature request Browse Search Select Print Search web CES Help Menú de ayuda de CES EduPack Para maximizar la función: Primero se aplican todas las restricciones Después se seleccionan los materiales con el mayor o menor índice M F Ashby, 2011 Welcome to CES Help Getting started - how to browse, search, select; and where to find information in CES Help White papers CES InDepth - detailed information on the CES references databases and supporting information, including: Material selection methodology Table of material indices Solutions to standard engineering problems Material and Process case studies

4 Índice con una única propiedad del material Conducción T1 t, T T2 Control térmico J = λ T Flujo de calor W/m 2 Conductividad térmica Intercambiador de calor: t Gradiente de temperatura Maximizar el flujo de calor para un T dado Elegir el material con mayor conductividad térmica, λ Aislante Steel faces T1 M F Ashby, 2011 Foam core t, T T2 Índices Aislante térmico: Minimizar el flujo de calor para un T dado Elegir el material con menor conductividad térmica, λ

5 Selección con una propiedad como índice Primero se aplican todas las restricciones, después se usa el índice para clasificar los materiales Buenos conductores: metales y cerámicas Buenos aislantes: Polímeros, espumas, corcho, madera, cartón M F Ashby, 2011

6 La estrategia de selección de materiales Requisitos: Expresados como Restricciones y Objetivos Datos: Propiedades de los materiales Propiedades de los procesos Documentación Moldeable Resistente al agua y al UV Buena rigidez Buena resistencia Lo más ligero posible (Lo más barato posible) Comparación Filtrado Clasificación Documentación Selección final Densidad Precio Módulo de Young Resistencia Durabilidad Procesabilidad Más M F Ashby, 2011

7 Diseño para minimizar el peso Tensores σ y ρ Montantes a compresión E 1/2 ρ Larguero principal de las alas E 1/2 ρ E = Módulo de Young ρ = Densidad σ y = Límite elástico Tren de aterrizajecompresión σ 2 / 3 y ρ M F Ashby, 2011

8 Diseño para minimizar el coste Paneles σ 1 / 2 y estructurales C m ρ Vigas σ 2 / 3 y estructurales C m ρ Cables a tensión σ C m yρ Cm = Coste del material/kg ρ = Densidad Puntal a compresión (columna) σ C m yρ σ y = Límite elástico M F Ashby, 2011

9 Índice para un tirante resistente y ligero Tirante resistente de longitud L y mínima masa Función Tirante F F Area A L Restricciones Objetivo Longitud L fija Debe soportar una carga F La ecuación para las restricciones en A: F/A < σy Minimizar la masa m: m = A L ρ m = masa A = área L = longitud ρ = densidad σ y= límite elástico La función métrica m m = F L ρ σ y Elegir materiales con el mayor σ y ρ M F Ashby, 2011

10 Índice para una viga rígida y ligera Función Restricciones Objetivo Viga Longitud L fija Debe tener una rigidez a flexión> S* La ecuación para las restricciones en A: CEI S = = 3 L Minimizar la masa m: m = A L ρ CE A 12 L 3 Viga rígida de longitud L y mínima masa 2 b L área de la sección cuadrada, A = b 2 m = masa A = área L = longitud ρ = densidad E = Módulo de Young I = Momento de inercia (I = b 4 /12 = A 2 /12) C = Constante (en este caso, 48) La función métrica m m = 12 L C 5 S * 1/ 2 ρ 1/ E 2 Elige materiales con mayor E 1/2 ρ M F Ashby, 2011

11 Índices de materiales Índice de material= combinación de propiedades de los materiales en la ecuación de la función A veces es una única propiedad Ambas son índices de materiales A veces es una combinación de propiedades Objetivo Minimizar la masa Tensión (tirante) Flexión (viga) Flexión (panel) Restricciones Rigidez Resistencia E/ρ σ y /ρ E 1/2 /ρ /ρ σ 2/3 y E 1/3 /ρ σ1/2/ρ y Explora este índice! Recuerda este también! M F Ashby, 2011

12 Clasificación usando los gráficos Viga ligera y rígida: Índice M = 1/2 E ρ Reagrupando: E = ρ 2 M 2 Tomando logs: Log E = 2 log ρ + 2 log M Módulo de Young E, (GPa) Compuestos Incrementando M Maderas Cerámicas Polímeros 2 Metales Función Índice Pendiente Tirante E/ρ 1 Viga E 1/2 /ρ 2 Panel E 1/3 /ρ Espumas Elastómeros ,000 Densidad (kg/m 3 ) 100,000 M F Ashby, 2011

13 Barra de herramientas para gráficos Añadir texto Hacer zoom Cancelar zoom Añadir sobres Cancelar selección Gráfico en blanco y negro Caja de selección Intersección del resultado Línea de selección Eliminar los resultados que fallan Line selection Enter slope 1 OK Cancel M F Ashby, 2011

14 Selección optimizada usando los gráficos Área buscada 1 E ρ = M 2 3 E 1/2 ρ = M E 1/3 ρ = M M F Ashby, 2011 Resultados 22 pasan Material Material Material etc Ranking Por E 1/2 /ρ

15 Representando los índices como barras Browse Search Select Tools 1 Selection data Edu Nivel 2: 2: Materiales ( Módulo ^ 05 ) / Densidad Eje X Eje Y Diagrama de 2 Selection Stages barras con Advanced índice: /ρ Graph Limit Tree E 1/2 + - / * ^ ( ) Resultados 22 pasan Material Material Material etc Ranking por E 1/2 /ρ Lista de propiedades Densidad Módulo de Young Límite elástico etc Lista de propiedades Densidad Módulo de Young Límite elástico etc M F Ashby, 2011

16 Representando los índices como funciones Índice E 1/2 / ρ Resultados 22 pasan Material Material Material etc Ranking por E 1/2 /ρ M F Ashby, 2011

17 Resumen Desarrollo de la estrategia Las cuatro etapas de selección: Traducción: identifica las restricciones y los objetivos Filtrado: descarta los que no cumplen con las restricciones Clasificación: ordena los que han pasado la etapa de filtrado Documentación: búsqueda de información de los candidatos más prometedores CES EduPack es una herramienta útil para la selección de materiales M F Ashby, 2011

18 Autor Mike Ashby Universidad de Cambridge, Granta Design Ltd wwwgrantadesigncom wwwengcamacuk Reproducción Los derechos de autor están protegidos por copyright Los recursos pueden ser reproducidos para su uso con fines docentes y pueden ser consultados en la página web de Recursos docentes, una vez adquirido el producto Asegúrese de que tanto Mike Ashby como Granta Design están al corriente de la reproducción No se pueden utilizar estos recursos con fines comerciales Mayor calidad Desde Granta Design se trabaja para mejorar la calidad de estos recursos Si tiene cualquier sugerencia o mejora, no dude en contactar vía a la siguiente dirección: teachingresources@grantadesigncom Hay más de 200 recursos disponibles, que incluyen: 77 clases magistrales en power point Ejercicios con soluciones desarrolladas Seminarios Pósters Publicaciones Manuales con soluciones Casos prácticos interactivos *Recursos traducidos por Mar Estellés Gil (UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA) M F Ashby, 2011 Los recursos docentes de la página web de Granta Design son una herramienta de apoyo al aprendizaje de materiales en ingenierías, ciencias, procesos y diseño Los recursos están disponibles en varios formatos y distintos niveles de información para adecuarlos a todos los estudiantes Este recurso es parte de una serie de lecciones creadas por Mike Ashby para introducir a los estudiantes en el diseño y selección de materiales La página web también contiene otros recursos didácticos y han contribuido académicos de las más de 800 universidades que usan CES EduPack en el mundo La página web contiene tanto recursos que requieren el uso de CES EduPack como una selección de recursos que no lo necesitan M F Ashby, 2011