Relatório de projeto para engenharia mecânica
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Introdução

Entender materiais em mecânica é fundamental na aplicação dos materiais na mecânica. Este fato levou à investigação de uma ponte para determinar por que ela é permanentemente desviada sob uma carga maior que a especificação permitida (Ashby). O teste envolve principalmente o estabelecimento das causas de falha de uma ponte de treliça devido ao carregamento. O teste envolverá principalmente o carregamento da ponte de treliça e coleta de dados relevantes para a compilação do módulo de Young, estresse de tensão e tensão final de tração. Estes testes serão feitos separadamente para aumentar a precisão dos dados obtidos. Este documento apresenta os dados brutos obtidos, o relatório de falhas e a discussão sobre testes de materiais.

Os experimentos visam familiarizar-se com a relação entre carga e deflexão dos vários feixes que compõem a ponte de treliça. Ele também visa explorar a teoria do módulo de jovens dos materiais que compõem as vigas. Os experimentos que serão realizados são o equipamento de teste de flexão, a deflexão de um cantilever e a deflexão de um feixe simplesmente suportado. O teste de flexão envolverá o carregamento de massas em um eixo suportado entre grampos de uma sonda e medindo as relações carga-deflexão. A deflexão de um experimento em cantilever envolverá a deflexão de um feixe em balanço para aço e alumínio. Finalmente, a deflexão de um experimento de feixe simplesmente suportado implica investigar a deflexão de um feixe simplesmente suportado para aço e alumínio.

Sumário executivo

Os testes tentam explicar a falha da ponte de treliça usando princípios de engenharia. A ponte sofreu deflexão permanente sob uma carga maior que a especificação permitida. Os métodos de teste envolviam o teste da tensão de materiais metálicos. O teste foi feito à temperatura ambiente com os metais forjados em vigas. O teste teve como objetivo principal estabelecer o módulo de Young, tensão de escoamento e tensão de tração final das vigas que fazem a ponte de treliça. Os membros da treliça eram feitos de aço inoxidável recozido grau 405 (Módulo de elasticidade = 200 GPa, Resistência ao Rendimento = 170 MPa, Resistência à Tração Máxima = 415 MPa). O comprimento da treliça foi de aproximadamente 80 e a altura de aproximadamente 6. Cada treliça é igual em tamanho (internacional). Os membros do acorde inferior consistem em seções quadradas 40x40 mm, e todos os outros membros treliçados são seções quadradas 80x80 mm.

As exceções a esses testes foram feitas para os membros individuais, onde era imperativo concluir que os membros operariam com suas zonas de tensão e tensão permitidas. Os membros também foram considerados não elásticos, portanto, poderiam sofrer fraturas quando seus limites elásticos fossem excedidos. A temperatura ambiente foi considerada como 10 a 38 ° C. Os valores foram todos convertidos para as unidades do SI.

Os laboratórios visavam principalmente testar os dois membros da ponte; os membros elásticos e de compressão. Os dois feixes diferentes (cantilever e o suporte simplificado) foram testados sob diferentes cargas obtendo-se a deflexão da carga, estabelecendo assim que a ponte defleti permanentemente sob carga é maior do que a especificação permitida. Os resultados do cálculo do teste do módulo de jovens com precisão. Este teste provou ser útil na determinação do módulo de Young do material das vigas e, portanto, oferece resultados superiores em comparação com o teste de tração. A tensão tanto nos componentes de tensão (90x90) quanto na compressão (80x80) é maior do que a permitida pelas propriedades do material. Uma maior compressão maior do que o ponto de escoamento causou a deformação do diâmetro, distorcendo assim a área da seção transversal do membro, enquanto a tensão reduziu o diâmetro do membro.

Os cálculos para o módulo de Young para estabelecer o ponto de escoamento do material foram capazes de estabelecer que a ponte iria sucumbir às massas introduzidas no centro da ponte. A descoberta foi porque o ponto de escoamento seria facilmente excedido quando a força de compressão era introduzida. Discussão de Teste de Materiais

Para testar o comportamento dos materiais do membro da ponte de treliça, fazemos um teste de compressão e teste de tração (Peixoto, Sousa e Restivo). Os principais elementos a serem testados foram o módulo de Young, tensão de escoamento e tensão de tração final dos materiais potenciais a serem usados ​​na construção de uma nova ponte. O experimento de flexão foi eficaz na obtenção de valores precisos para o cálculo do módulo de Young. O suporte simplesmente era um pouco indesejável.

O módulo de Young

A seguir, as dimensões das vigas usadas no material do experimento

Relatório do projeto AWB Design para Mecânica de Engenharia

As vigas foram defletidas de acordo com a teoria do feixe de Euler-Bernoulli. Os princípios seriam considerados tanto para as configurações do experimento. O feixe cantilever tem a deflexão máxima na extremidade livre do feixe e, no feixe simplesmente suportado, ocorre no centro do feixe. Para calcular a deflexão máxima do cantilever e o feixe simplesmente suportado, as equações abaixo podem ser usadas.

Relatório do projeto AWB Design para Mecânica de Engenharia

L é o comprimento da viga (mm)

E é o módulo de Young (GPa ou N / mm2)

P é a carga (Newtons)

Eu sou o momento de inércia 2nd (mm4)

A figura abaixo representa a deflexão experimentada nos dois experimentos.

O módulo de Young representa a inclinação da linha em uma curva de tensão-deformação. Para determinar o módulo jovem a partir dos testes, traçamos a relação entre a carga e a deflexão resultante e, assim, obtemos a inclinação do gráfico. Tratando o enredo uma relação linear y = bx + c obtemos as seguintes equações.

A partir do experimento, primeiro calculamos o segundo momento de inércia de modo a obter a deflexão

Das leituras acima podemos calcular o segundo momento de inércia

Para obter as deflexões máximas

A deflexão obtida pode ser usada para determinar o módulo de Young do material das vigas.

Propriedade O seu valor Unidade
O módulo de Young 46.025 GPa
Tensão à prova de 0.2% 283.07 MPa
Tensão de tração final 348.54 MPa
Estirpe de engenharia no ponto de 22.26 %
ductilidade 33.4599 %

Para projetar as vigas plotamos as respectivas extensões das vigas contra as cargas.

MS Blackform

SS 304
Al 5005
Al 5052
SS 304

Estresse de rendimento e tensão de tração final

O teste de tração é usado para medir as propriedades mecânicas dos feixes. Relaciona os efeitos de uma carga de tração no alongamento (mudança de comprimento) dos feixes da ponte. Para analisar completamente o material das vigas, monitoramos seu comportamento sob tensão e compressão (G, Totten e MacKenzi). A suposição para a tensão e compressão funcionou para o valor da constante de material. A fórmula de tensão e deformação desenvolvida é aplicada aos membros da ponte em tensão e compressão, estabelecendo assim o efeito de carga sobre as vigas. A resistência à compressão dos materiais é diferente da sua resistência à tração. Das plotagens de tensão-tensão, o módulo da elasticidade é o mesmo para tensão e compressão. Mas a partir dos resultados, a resistência à compressão do alumínio foi duas vezes maior que a do aço. O teste de compressão foi realizado sem descarga, portanto, o comportamento das vigas foi quase o mesmo na compressão e na tensão.

O módulo de elasticidade, o estresse de produção e o estresse final tornam-se iguais.

A partir da tensão e tensão no comprimento original do comprimento do feixe da amostra obtida a partir da treliça e igualou o alongamento do feixe (a mudança no comprimento do feixe) dividido pelo comprimento original do feixe. Como tanto a deformação quanto a tensão têm unidades de comprimento, a deformação possui unidades adimensionais e é expressa principalmente em metros e milímetros. Comumente a deformação pode ser expressa como deformação de engenharia como porcentagem de deformação ou porcentagem de alongamento (M).

Engenharia de tensão = engenharia de tensão x 100%

A plotagem do diagrama de tensão versus deformação resulta em uma curva que geralmente é linear e segue o relacionamento. Esta relação linear é baseada na Lei de Hooke e tem um ponto de rendimento que representa a deformação elástica. Remoção da carga na região do feixe, o membro recuperará sua forma original sem deformação permanente. O gradiente da curva é o módulo de elasticidade ou Módulo de Young, que é semelhante a uma constante de mola. Os materiais diferem no módulo jovem devido à diferença nas ligações, o módulo de Young de um material não é afetado pela microestrutura, mas é totalmente afetado pela força de ligação que mantém os átomos na estrutura. Quando a carga aumenta, o nível de tensão é aumentado até o ponto além do limite elástico, se a tensão exceder o limite de elasticidade e a deformação permanente dos feixes ocorrer. A deformação permanente é conhecida como a deformação plástica devido ao tipo de comportamento na estrutura. É difícil determinar o ponto exato em que ocorre a mudança de comportamento elástico para plástico. O método 0.2% offset é geralmente usado para estimar este ponto. Uma linha paralela à curva elástica é traçada através da deformação e o ponto de interseção com a curva tensão-deformação define a tensão de escoamento. A tensão de tração final é a tensão máxima no diagrama de tensão-deformação da engenharia. Em última análise, as vigas sofrerão uma deformação plástica extensa após um carregamento excessivo e, posteriormente, sofrerão uma deformação localizada, conhecida como verificação antes da falha final. A região é resultado da instabilidade da deformação e após sua formação, portanto, qualquer deformação é restrita a esta região. Neste ponto, o verdadeiro estresse necessário para puxar os feixes para falha constantemente aumentando até a fratura. Mas, como a tensão é calculada usando a seção transversal original das vigas após a verificação, o valor da tensão de engenharia diminui. A ductilidade do feixe é caracterizada tanto pela tensão até a falha quanto pela variação percentual no comprimento. Se houver um significativo impacto antes da fratura, a variação percentual na dimensão das vigas será uma medida clara da ductilidade das vigas.

Conclusões

Os experimentos visam estabelecer a ductilidade das vigas a serem utilizadas na ponte de treliça. A relação entre carga e deflexão das vigas que compõem a ponte de treliça. O experimento foi capaz de testar a teoria do módulo de jovens dos materiais que compõem as vigas. Os experimentos realizados até agora envolveram o equipamento de teste de dobra, a deflexão de um cantilever e a deflexão de um feixe simplesmente suportado. O teste de flexão envolveu o carregamento de massas em uma viga apoiada entre grampos de uma sonda e a medição das relações carga-deflexão. A deflexão de um experimento em cantiléver envolveu a deflexão de um feixe em cantiléver para aço e alumínio. Finalmente, a deflexão de um experimento de feixe simplesmente suportado implicou investigar a deflexão de um feixe simplesmente suportado para aço e alumínio

O módulo de Young, é uma medida da deformação de um material de vigas em resposta a uma força aplicada que causa tensão nas vigas, é uma variável fundamental a ser considerada no projeto de sistemas de engenharia mecânica, como ponte ou edifícios. Módulo de Young é o gradiente da curva tensão-deformação. Projetamos e usamos braçadeiras para segurar as vigas de modo a medir o módulo de vigas de alumínio e aço de Young. As vigas foram mantidas esticadas em uma extremidade com blocos apertados, e a outra extremidade está suspensa com a carga para causar tensão e tensão, a fim de fornecer dados para o projeto. A aplicação de massa aos feixes estica o feixe e faz com que o feixe se desvie. A quantidade de deflexão é proporcional à carga aplicada aos feixes. A tensão é encontrada pela deflexão do feixe dividido pelo comprimento inicial do feixe enquanto; o estresse pode ser encontrado usando a quantidade de força aplicada dividida pela área da seção transversal do feixe. O gráfico tensão-deformação é então plotado, e o Módulo de Young é determinado usando a inclinação do gráfico.

Trabalhos Citados

Ashby, M F. Seleção de Materiais em Desenho Mecânico. Butterworth-Heinemann: oxford, 1999. impressão.

G, Totten, G Totten e D MacKenzi. "Manual de Alumínio". Metalurgia Física e Processos (2003): 403. impressão.

Internacional, ASTM. Métodos de Teste Padrão para Teste de Tensão de Materiais Metálicos. livro anual. West Conshohocken: ASTM International, 2015. impressão.

M, Radovic. "Comparação de diferentes técnicas experimentais para determinação de propriedades elásticas de sólidos." Ciência dos Materiais e Engenharia (2004): 368. impressão.

Peixoto, Daniel et al. DETERMINAÇÃO DOS MODULOS DE JOVENS: MÉTODOS DIFERENTES. Conferência Internacional sobre Mecânica Experimental. porto: Departamento de Engenharia Mecânica (DEMec), Universidade do Porto, Portugal, 2012. impressão.

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