clasificación: índice de materialesmaterias.fi.uba.ar/7213/clase3cesedupackmateriales ii.pdf ·...

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.

Mike AshbyDepartment of EngineeringUniversity of Cambridge

www.grantadesign.com/education/resources

© M. F. Ashby, 2011For reproduction guidance see back page

Clasificación: índice de materiales

www.grantadesign.com/education/resourcesM. F. Ashby, 2011

Reseña

� ¿Cómo clasificar los que se mantienen?

� El filtrado elimina los candidatos que no cumplen con las restricciones impuestas

Fuentes

� “Materials: engineering, science, processing and design”, 2a Edición, Capítulos 3, 4 y 6

� “Materials Selection in Mechanical Design”, 4a Edición, Capítulos 5 y 6

� Los índices de materiales realizan esta función

� Demo

� Sesiones prácticas


¿Qué es un índice de material?

�Un grupo de propiedades, ej. Módulo de Young /densidad E / ρ

La función de un componente está limitada por:

Para maximizar la función:

� Primero se aplican todas las restricciones

� Después se seleccionan los materiales con el mayor o menor índice

Índices de material para el

diseño

¿Cómo encontrarlos?

� Libros enumerados en la diapositiva 1

� Menú de ayuda de CES EduPack

�Una propiedad del material, ej. conductividad térmica , λ

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� Material selection methodology

� Table of material indices

� Solutions to standard engineering problems

� Material and Process case studies

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Índice con una única propiedad del material

t

TJ

∆λ=Flujo de calor W/m2

Conductividad térmica

Control térmico

Índices

Gradiente de temperatura

Intercambiador de calor:Maximizar el flujo de calor para un ∆T dado

Elegir el material con mayor conductividad térmica , λ

t, ∆T

Conducción

T1

T2

Aislante térmico:Minimizar el flujo de calor para un ∆T dado

Elegir el material con menor conductividad térmica , λ

t, ∆T.. ..

. ... ..

. ... .....

......

.. .... ..

.. .... ..

.. .. .. .... .... .... ..

.. .... ..

.. ....

.

..

..

Steel �faces

Foamcore

Aislante

T2T1


Selección con una propiedad como índice

Buenos conductores:metales y cerámicas

Buenos aislantes:Polímeros, espumas, corcho, madera, cartón ….

Primero se aplican todas las restricciones, después se usa el índice para clasificar los materiales


La estrategia de selección de materiales

Requisitos:

Expresados como

Restricciones y

Objetivos

Selección final

Comparación

� Filtrado

� Clasificación

� Documentación

Densidad

Precio

Módulo de Young

Resistencia

Durabilidad

Procesabilidad

Más…….

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)


Diseño para minimizar el peso

ρ1/2E

Montantes a compresión

σσσσ

ρ

3/2y

Tren de aterrizaje-compresión

Tensores

σσσσ

ρy

Larguero principal delas alas

ρ1/2E

E = Módulo de Young

ρρρρ = Densidad

yσσσσ = Límite elástico


Diseño para minimizar el coste

Vigas estructurales

σσσσ

ρC m

3/2yPaneles

estructurales

σσσσ

ρC m

2/1y

Cables a tensión

σσσσ

ρC m

y

Puntal a compresión

(columna)

σσσσ

ρC m

y

Cm = Coste del material/kg

ρρρρ = Densidad

yσσσσ = Límite elástico


Índice para un tirante resistente y ligero

Minimizar la masa m:m = A L ρ

Objetivo

• Longitud L fija • Debe soportar una carga F

Restricciones

La ecuación para las restricciones en A:

F/A < σy

Tirante resistente de longitud L y mínima masa

L

FF

Area A

TiranteFunción

m = masaA = áreaL = longitudρ = densidad

= límite elástico yσ

=

yσ

ρLFmLa función

métrica m Elegir materiales conel mayor

ρσ y


Índice para una viga rígida y ligera

VigaFunción

Minimizar la masa m:

m = A L ρObjetivo

• Longitud L fija• Debe tener una rigidez a flexión> S*

Restricciones

La ecuación para las restricciones en A:

3

2

3 L12

AEC

L

IECS ==

m = masaA = áreaL = longitudρ = densidadE = Módulo de YoungI = Momento de inercia(I = b4/12 = A2/12)C = Constante (en este caso, 48)

Viga rígida de longitud L y mínima masa

L

área de la seccióncuadrada,

A = b2

b

ρ

=

2/1

2/1*5

EC

SL12m

La función métrica m

Elige materiales conmayor

ρ1/2E


Índices de materiales

� Índice de material= combinación de propiedades de los materiales en la ecuación de la función

� A veces es una única propiedad

� A veces es una combinación de propiedades

Ambas son índices de materiales

Tensión (tirante)

Flexión (viga)

Flexión (panel)

E/ρ /ρσy

/ρE1/2 /ρσ2/3y

Rigidez Resistencia

Restricciones

/ρE1/3 /ρσ1/2y

ObjetivoMinimizar la masa

¡ Recuerda este

también!

¡Explora este

índice!


Log E = 2 log ρ + 2 log M

Tomando logs:

0.1

10

1

100

Metales

Polímeros

Elastómeros

Maderas

Compuestos

Espumas0.01

1000

100,000100 1000 10,000

Densidad (kg/m3)

Módulo

de Y

ou

ng

E,

(GP

a)

Cerámicas

Clasificación usando los gráficos

Índice ρEM

1/2=

Viga ligera y rígida:

2 2 MρE =

Reagrupando: Incrementando M

2

Función Índice Pendiente

Tirante 1

Viga 2

Panel 3

E/ρ

/ρE1/2

/ρE1/3


Barra de herramientas para gráficos

Caja de selección

Cancelar selección

Añadir texto

Hacer zoom Añadir

sobres

Cancelarzoom

Gráfico en blanco y negro

Eliminar los resultados que

fallan

Intersección del resultado

Línea de selección

Line selection

Enter slope 1

CancelOK


Selección optimizada usando los gráficos

MρE1/2

=

23

MρE1/3

=

Resultados22 pasan

Material 1 2230

Material 2 2100

Material 3 1950

etc...

RankingPor /ρE1/2

1

MρE =

Áreabuscada


Eje X Eje Y

Lista de propiedades

� Densidad

� Módulo de Young

� Límite elástico

� etc

Advanced

Representando los índices como barras

Lista de propiedades

� Densidad

� Módulo de Young

� Límite elástico

� etc

+ - */ ^ ( )

MóduloDensidad

/

2. Selection Stages

Graph Limit Tree

1. Selection data

Edu Nivel 2: MaterialesEdu Nivel 2: Materiales ( ^ )0.5

Diagrama de barras con índice: /ρE1/2

Browse SelectSearch

Resultados22 pasan

Material 1 2230

Material 2 2100

Material 3 1950

etc...

Rankingpor /ρE1/2

Tools


Representando los índices como funciones

Índice ρ/E1/2

Resultados22 pasan

Material 1 2230

Material 2 2100

Material 3 1950

etc...

Rankingpor /ρE1/2


Resumen

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

Desarrollo de la estrategia


www.grantadesign.com/education/resources

© 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.

Autor

Mike Ashby

Universidad de Cambridge, Granta Design Ltd.

www.grantadesign.com

www.eng.cam.ac.uk

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 Designestán 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 e-mail a la siguiente dirección: [email protected]

Hay más de 200 recursos disponibles,

que incluyen:

� 77 clases magistrales en power point

� Ejercicios con soluciones desarrolladas

� Seminarios

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� Manuales con soluciones

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*Recursos traducidos por Mar Estellés Gil (UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA)

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