Diseño de componentes: ¿Cómo rediseño un componente de acero con una resistencia conocida a la fibra de carbono?

Answer 1

Ha habido algunos puntos importantes enfatizados en las respuestas anteriores, aquí están mis dos centavos:

1. Determinar la aplicación principal y sus requisitos debería ser el primer paso. ¿Se usará la viga en tensión axial? ¿Se doblará? ¿Se comprimirá? ¿Hay vibración involucrada? Abrasión, alta temperatura, productos químicos? Sin estas consideraciones, conocer la resistencia a la tracción o la rigidez no comienza a ayudarlo con la solución.
2. Su próximo paso debe ser determinar sus prioridades; ¿Por qué quieres reemplazar el buen acero viejo? Lo más emocionante de los compuestos es que puede personalizar su estructura para prácticamente cualquier restricción, siempre que tenga el tiempo, los medios y el dinero. Puede agregar una capa de aramida o vidrio para resistir la abrasión. Puede maximizar las propiedades de tracción mientras ignora la cizalla, para optimizar el peso o utilizar capas adicionales fuera del eje (por ejemplo, ± 45 °) para agregar resistencia a la torsión. Puede hacer todo esto y aún así hacer una estructura más ligera que los materiales convencionales. Tenga en cuenta que el peso es importante, no lo es todo; En algunas aplicaciones, los compuestos pueden ser buenas alternativas para sus propiedades ortotrópicas (por ejemplo, es posible que desee diseñar su estructura para soportar cantidades ridículas de tensión pero fallar bajo torsión), propiedades químicas o simplemente porque son frías.
3. Cuando su restricción principal es el peso y las propiedades de tensión, las propiedades del material que desea verificar son Resistencia específica o Módulo específico en lugar de resistencia o rigidez, que es básicamente la resistencia / rigidez que proporciona el material por unidad de masa. Entonces, aunque la rigidez de la estructura de carbono / epoxi (CFRP) de Wikipedia proporciona 181GPa a 200GPa de acero, sus valores de rigidez específicos son de 113 a 25. Esto significa que necesita más de 4 unidades de masa de acero en su estructura para darle la misma rigidez de una unidad de masa de (CFRP).
4. Si está diseñando una viga para su avión RC de bricolaje, recomendaría ensuciarse la mano y aprender de sus errores y no escuchar a ningún profesional, incluido yo; porque aunque parezca que sabemos de qué estamos hablando, cada aplicación es única con los compuestos. PERO si está diseñando para un puente que no puede permitirse aprender de sus errores, aquí es donde necesita los profesionales. Además, hay un desarrollo significativo en el modelado de análisis de elementos finitos (FEA), he escuchado que especialmente el módulo de compuestos de Ansys es bastante poderoso.

Answer 2

Usar solo la rigidez axial en el caso de diseñar con materiales compuestos es casi siempre una mala idea.

La razón es que estos materiales de súper alta resistencia / alto módulo a menudo están formados por fibras orientadas, y las fibras llevan la mayor parte de la carga bajo tensión, logrando así mejoras fenomenales en las propiedades como se anuncia.

Esta ‘orientación’ conduce a un problema, porque las teorías simples de la flexión de vigas asumen un material que es tanto homogéneo (es decir, las propiedades no cambian en diferentes puntos) como isotrópico (es decir, las propiedades no cambian en diferentes direcciones) . Si bien un compuesto de fibra de carbono podría ser prácticamente homogéneo, definitivamente no es isotrópico si las fibras están alineadas.

En otras palabras, la extrema fuerza / módulo en una dirección lo lleva a pensar que el material es fuerte bajo todo tipo de carga. Eso no es verdad.

El mejor curso de acción sería probar a lo largo de múltiples direcciones. Si las fibras se colocan de forma simétrica en el eje, necesitaría un par de resistencia módulo-axial ‘y un par de resistencia módulo-módulo’ transversal ‘. Probablemente también debería saber si el material compuesto tiende a fallar debido al flujo en el epoxi (suponiendo que el epoxi es su matriz) o debido a que las fibras se desprenden del epoxi. Si su material compuesto es un material comercial, puede encontrar esta información, aunque podría estar enterrada en la literatura experimental. Además, la flexión de la viga implica principalmente fuerzas de corte. Por lo que sabes, todas tus fibras permanecerían perfectamente intactas, pero todavía se ‘deslizarían’ una sobre la otra, ya que el epóxico no es lo suficientemente fuerte bajo el cizallamiento. Esto podría hacer que el compuesto sea aún peor que el acero para su aplicación particular.

Hay otros materiales anisotrópicos por ahí. La más simple es la madera, que tiene una orientación de grano que determina la resistencia. Los compuestos de Kevlar y Zylon son otros ejemplos. Diseñar con estos materiales implicaría desafíos similares, por lo que sería una vía que vale la pena explorar.

El usuario de Quora es absolutamente correcto. Dependiendo de cuán seguro desee estar con respecto a los límites de su componente de fibra de carbono, su problema podría requerir experiencia técnica a nivel de consultor que no puede encontrar en un libro de solidez de materiales.

Answer 3

La forma básica de abordarlo:

• es probable que lo construya con tres materiales para obtener las mejores propiedades con el mejor peso: [1] fibra de carbono unidireccional para utilizar sus propiedades de tracción, [2] núcleo para reducir las deflexiones al agregar su resistencia a la compresión para qué fibras son buenas y [3] resina para unir todo
• fibra de carbono en la “parte superior” y la “parte inferior”
• material del núcleo (panal o espuma de alta resistencia a la compresión o balsa de grano final con grano que se extiende verticalmente entre las capas)
• con cualquier tamaño no trivial, es posible que necesite utilizar fibra de carbono de + – 45 grados para [1] fusionar las capas sin permitir la delaminación de las capas de núcleo / carbono y [2] tomar una ficha lateral / carga torsional
• asegúrese de que todas las fibras se combinen sin huecos y que las fibras se apliquen tensión en un grado similar: el envasado al vacío, la infusión de resina al vacío, los autoclaves o los procesos industriales de moldes de dos lados son clave para la uniformidad
• Utilice buenos coeficientes de ingeniería para tener en cuenta la carga adicional inesperada, las irregularidades en la producción, el desgaste

Los ingenieros profesionales definitivamente deberían ayudar allí, como dijo Isaac. Dependiendo de cuán avanzada sea la aplicación, el pretensado y las vigas curvas serían temas más avanzados.

Más allá de las simples vigas, las grandes diferencias son:

• mucha más atención en qué dirección se aplican las cargas para decidir la longitud de la fibra
• distribuir puntos de carga estructural a un área más amplia
• siempre use radios, manténgase alejado de bordes rectos y planos
• los núcleos te dan rigidez con mucho menos peso que la CF sólida

Answer 4

La forma correcta de hacer este rediseño es trabajar con alguien que tenga conocimientos avanzados de ingeniería mecánica o estructural. Las formulaciones teóricas se deben combinar con pruebas físicas para determinar la mejor manera de rediseñar el componente en un nuevo material.

Desafortunadamente, hacer este tipo de cambio no es tan simple como podría pensar.

La resistencia a la tracción es solo una pieza muy pequeña del rompecabezas.

Para darle una idea de lo que estoy hablando, para su ejemplo específico de una viga, la fibra de carbono tiene una mayor resistencia a la tracción que el acero, pero también tiene un módulo de elasticidad más bajo. Esto significa que la viga de fibra de carbono se desviará más bajo una carga dada que su contraparte de acero. Casi siempre hay compensaciones y ningún material es perfecto para cada situación.

Answer 5

No se puede crear una viga de acero con fibra de carbono. Solo puede crear una viga de acero I de acero, de ahí el nombre “viga de acero I”.

Tenga en cuenta que el acero es generalmente igualmente fuerte en todas las direcciones, mientras que el compuesto de fibra de carbono (CF) tiene su resistencia en una sola dirección. El adhesivo que mantiene el material unido lo une todo, pero es bastante débil y no agrega nada a la estructura. Esto significa que el CF tendría que colocarse en varias direcciones para imitar las características de la contraparte de acero. No es un trabajo fácil y al final puede que no pese menos pero costaría muchas veces más.

Sé que preguntaste CÓMO diseñar una pieza de CF para reemplazar una de acero, pero en un párrafo (arriba) te acabo de decir que probablemente nunca sucederá e incluso puede ser tonto intentarlo.