基于材料的設(shè)計(jì)
鋼、鑄鋼和鑄鐵，更普遍地稱為鐵質(zhì)材料，經(jīng)常被 用作框架和框架部件的材料。自20世紀(jì)70年代以來經(jīng)濟(jì)效果好而被越來越多地使用。在21世紀(jì)，由于成本和環(huán)境的原因，水泥混凝土經(jīng)常被用作替代材料。碳纖維增強(qiáng)塑料，也被稱為CFRP或CRP，被 用于在同一應(yīng)用中需要減少質(zhì)量和高剛度的地方。在選擇機(jī)架材料時(shí)，以下材料特性很重要，因?yàn)樗鼈冊(cè)诖_定部件特性方面起著重要作用。
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? 強(qiáng)度（屈服強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度） |
→ 塑性變形和破損方面的安全性 |
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? 比質(zhì)量、密度 |
→ 質(zhì)量分布，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)行為，加速行為 |
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? 楊氏模量、剪切模量 |
→ 靜態(tài)和動(dòng)態(tài)行為 |
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? 材料阻尼 |
→ 動(dòng)態(tài)行為 |
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? 摩擦系數(shù)，硬度 |
→ 滑動(dòng)區(qū)的摩擦和磨損行為 |
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? 減少殘余應(yīng)力、蠕變、松弛 |
→ 長(zhǎng)期的尺寸穩(wěn)定性 |
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? 熱膨脹系數(shù)、比熱容、熱導(dǎo)率 |
→ 熱彈性行為 |
考慮到這些因素，.圖3.1顯示了鋼、鑄鐵、反應(yīng)樹脂混凝土和水泥混凝土的最重要的物理特性。
| 參數(shù) | 單位 | S235鋼 | GJL | GJS | PC | 水泥混凝土 | UHPC | |
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楊氏
模量E |
[103 N/mm2] | 210 | 80..140 | 160..185 | 40 | 26..45 | 45..70 | |
| 密度ρ | [kg/dm3] | 7.85 | 7.1..7.25 | 7.1..7.3 | 2.3 | 2.0..2.5 | 2.4..2.9 | |
| 熱膨脹系數(shù)α | [10-6 K-1] | 11.1 | 10.0 | 12.5 | 10..20 | 6..14 | 11..14 | |
| 比熱容c | [J/gK] | 0.45 | 0.46 | 0.52 | 0.9..1.1 | 1.0 | 1.0 | |
| 熱導(dǎo)率 λ | [W/(Km)] | 54 | 45..50 | 31.36 | 1.5 | 2.1 | 1.9 | |
| 抗拉強(qiáng)度Rm | [N/mm2] | 340..470 | 150..400 | 350..900 | 10..30 | 1.6..5.2 | 7..16 | |
| 抗壓強(qiáng)度fd | [N/mm2] | 340..470 | 600..1000 | 500..1400 | 90 | 8..100 | 150..250 | |
| 材料阻尼Λ | [-] | (日志 。 (decr.) | 0.002 | 0.003..0.0045 | 0.003..0.0045 | 0.02..0.04 | 0.02..0.04 | 0.02..0.03 |
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材料的相對(duì)成本（加工后） |
[-] | 1 | 0.8 | 0.9 | 0.9..2.0 | 0.2 | 0.7 | |
圖3.1 物理材料特性
選擇材料時(shí)，除了材料特性外，還應(yīng)該考慮到 制造和經(jīng)濟(jì)方面的因素。主要是:
1、在材料費(fèi)用
2、具有成本效益的生產(chǎn)
3、可操作性
4、有能力進(jìn)行焊接或鑄造
楊氏模量是考慮靜態(tài)行為的一個(gè)主要因素。靜態(tài)行為的主要考慮因素。雖然鋼的楊氏模量 可以準(zhǔn)確地確定，但其他材料的楊氏模量有時(shí)會(huì)有 有時(shí)會(huì)有明顯的差異，一方面是由于材料 變化，另一方面是由于制造過程中的波動(dòng)。制造工藝的波動(dòng)。除了楊氏模量之外 模量外，密度和阻尼也會(huì)影響動(dòng)態(tài)行為。動(dòng)態(tài)行為。鋼的純材料阻尼的純材料阻尼與接頭和軸承位置的阻尼量相比是如此之低，以至于可以忽略它。的阻尼量相比，鋼的純材料阻尼是如此之低，以至于它可以在第一近似情況下被忽略掉。第一近似值。然而，鑄件、碳纖維 鑄件、碳纖維增強(qiáng)塑料和混凝土提供更有效的 阻尼，對(duì)結(jié)構(gòu)中的振動(dòng)有積極的影響。結(jié)構(gòu)中的振動(dòng)產(chǎn)生積極影響。
由于不同的物理材料特性以及生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)限制，不同的材料對(duì)設(shè)計(jì)過程提出了明顯不同的要求。與前面介紹的不考慮材料的設(shè)計(jì)指南相比，本節(jié)將詳細(xì)介紹基于材料的設(shè)計(jì)。圖3.2顯示了機(jī)床床身設(shè)計(jì)的三種不同選擇。鋼結(jié)構(gòu)主要是由各種厚度的板材焊接而成，而鑄鐵和混凝土結(jié)構(gòu)則是通過鑄造材料來生產(chǎn)。在這種兩種情況下，鑄鐵床、拔模角和壁的厚度都是一致的，而且角和邊緣都是圓滑的。不同的壁厚是 由于材料的楊氏模量不同而造成的，以滿足部件的 整體強(qiáng)度要求。由于鑄鐵、水泥混凝土和礦物鑄件 的密度大約是其楊氏模量的倒數(shù)，因此在整體質(zhì)量 上通常沒有明顯差異。
焊接結(jié)構(gòu)
焊接結(jié)構(gòu)的組成部件通常是擠壓材料、金屬板鑄造 件和加工件。管狀或方形型材與扁平或折疊的板材一起構(gòu)成結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)部件時(shí)應(yīng)考慮到制造 過程。焊縫必須可以通過預(yù)定的焊接工藝達(dá)到，避免出現(xiàn)削弱材料的焊縫群；因此在設(shè)計(jì)中也必須考 慮到間隙問題。當(dāng)設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，目標(biāo)應(yīng)該是使 用盡可能少的焊縫。摩擦鎖定、焊縫排列、材料厚度、缺口的影響以及待連接部件的強(qiáng)度差異在焊接 結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)中都有重要作用。焊縫的安全性取決于 負(fù)載的類型，工作或操作溫度和工作介質(zhì)。
用鑄鐵設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)鑄造部件時(shí)，必須考慮到材料的制造特性。由于體積的原因，所生產(chǎn)的部件通常沒有很高的尺寸精度。
由于收縮和不均勻的冷卻條件。因此，功能表面，如螺釘頭的座面或與其他部件的 接觸面必須在以后階段進(jìn)行加工。必須為這些表面 留有加工余地。兩個(gè)鑄造部件的接觸面從一開始就 應(yīng)該設(shè)計(jì)成不同的尺寸，以避免在出現(xiàn)尺寸偏差時(shí) 出現(xiàn)功能損失或外觀不良。
鑄件的后續(xù)材料質(zhì)量主要由設(shè)計(jì)決定。應(yīng)避免材料的堆積，因?yàn)椴牧鲜湛s的增加會(huì)在構(gòu)件中產(chǎn)生空洞，也就是所謂的收縮孔（見圖3.2）。由于非單一形式的冷卻，固有的應(yīng)力也會(huì)在這里形成，當(dāng)材料凝固時(shí)，會(huì)導(dǎo)致熱裂紋，一段時(shí)間后，會(huì)在部件中產(chǎn)生冷裂紋。
混凝土的材料特性
混凝土是一種結(jié)合劑和骨料的混合物，可以直接作為一種材料使用，也可以與其他材料結(jié)合，形成一種復(fù)合材料。顧名思義，水泥混凝土中的結(jié)合劑是 水泥，反應(yīng)樹脂混凝土中的結(jié)合劑是反應(yīng)樹脂。水泥混凝土中的骨料通常是碎石和沙子，而花崗巖和石英石則被用于混凝土。
由于我公司生產(chǎn)的機(jī)床屬于重型機(jī)床，非金屬材料構(gòu)件應(yīng)用的不多，本文暫時(shí)不論述。
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