CES材料设计课第1-3讲

2013-1-11CES材料设计CES材料设计CambridgeEngineeringSoftware韩高荣教授博导,[e-mail]徐刚博士副教授,[e-mail]李翔博士，[e-mail]@j浙江大学材料系无机非金属材料研究所提纲：•CES设计思想概要CES 设计思想概要•CES材料设计介绍•CES设计课程具体内容2013-1-12以工程材料性质为导向的设计思想注重于“用什么材料设计思想‐Cambridge Engineering Software (CES)以工程材料性质为导向的设计思想，注重于用什么为益”和“怎样用为益”工程家制造产品。他们通过工艺将材料制作成产品。.依赖于“经验”的策略已经不符合当今发展需要。材料设计经常是面对无限的因素。需要考虑所有的可能性因素机械领域高分子、人造橡胶金属、合金复合材料陶瓷、玻璃2013-1-13建筑领域金属、合金高分子、人造橡胶陶瓷、玻璃复合材料工业产品中工程材料的发展水壶：铸铁，青铜，聚丙烯飞机:      1903年，双翼飞机;1935年，道格拉斯DC3飞机；2010年，波音787照相机:  1900年，干片照相机；1960年，雷卡照相机;2006年，便携式塑料照相机。2013-1-14一种商品有一个成本C制造、销售的真是成本.个价格P提供给消费者的价格材料设计重要性一个价格P提供给消费者的价格一个价值V消费者认为它值多少价值普通派克钢笔,80人民币一支派克限量版钢笔30000人民币一支他们比前者强于375倍吗？什么决定价格?技术设计、材料、工艺什么决定价值?技术和材料设计;美学，和谐，观念倍吗成功的产品需要满足CPV技术设计美学社会群体感觉满意度产品必须提高生活实用度产品必须容易理解和实用材料和工艺设计产品设计技术设计例如:汽车功能度产品必须可以使用、安全、经济2013-1-15CeramicsPolymersMetalsSteelsCu-alloysAl-alloysTi-alloysMaterials1000200030004000NaturalCompositesTialloysNi-alloysZn-alloys50006000JoiningShapingCastingDeformationMoldingCompositeProcessesCompressionRotationInjectionRTMBlowSurfacingPowderRapidprototypeBlowVaccum2013-1-16CES材料设计策略CES材料设计策略筛选可以胜任需要的分离的的候选条件。2013-1-17CES材料设计策略示例:Density: ρYoung’s modulus: EYield strength: σyThe cost: C将能胜任需要的要求进行排序CES材料设计策略举例:将能胜任需要的要求进行排序2013-1-18组织信息: 材料AttibtUniverseMbClFamilyStructuredinformationAttributesAl6463DensityMechanicalprops.Thermalprops.Electricalprops.Opticalprops.Al6060DensityMechanicalprops.Thermalprops.Electricalprops.Al6061DensityMechanicalprops.Thermalprops.ElectricalpropsUniverseMaterialsdata-tableMember1000200030004000500060007000ClassSteelsCu-alloysAl-alloysTi-alloysNi-alloysZn-alloysFamily•Ceramics&glasses•Metals&alloys•Polymers&elastomersUnstructuredinformationMaterialrecordspppCorrosionprops.Documentation--specific--generalOpticalprops.Corrosionprops.Documentation--specific--generalElectricalprops.Opticalprops.Corrosionprops.Documentation--specific--general70008000Zn-alloys•HybridsAttributesMember组织信息: 加工工艺UniverseClassFamilyAttributesRTMMaterialShapeSizeRangeMin.sectionToleranceRoughnessEconomicbatchDttiBlowmoldingMaterialShapeSizeRangeMin.sectionToleranceRoughnessEconomicbatchInjectionmoldingMaterialShapeSizeRangeMin.sectionToleranceRoughnessStructuredinformationMemberCompressionRotationInjectionRTMBlowUniverseProcessesdata-tableClassCastingDeformationMoldingCompositeFamilyJoiningShapingProcessrecordsDocumentation--specific--generalEconomicbatchDocumentation--specific--generalRoughnessEconomicbatchDocumentation--specific--generalUnstructuredinformationBlowPowderRapidprototypingSurfacing2013-1-19CES设计详细内容CES材料设计内容•硬度极限设计•硬度极限设计•强度极限设计•韧度极限设计•疲劳极限设计材料的热血性能设计•材料的热血性能设计•材料的电学性能设计2013-1-110CES材料设计介绍•材料的磁学性能设计•材料的磁学性能设计•材料的光学性能设计•多边界条件设计方法•矛盾目标设计方法经济型与环境友好型材料设计方法•经济型与环境友好型材料设计方法注意事项：•课程相关的参考文献、课件及讲义请在相应课课程相关的参考文献、课件及讲义请在相应课程网站上在线查阅；(访问路径：  转入《Materials Design & Processing》)•由于所提供的课件为全英文，所以请做好课堂笔记！•请保持安静！2013-1-111硬度极限设计一个关于桥的故事。。。2013-1-112硬度极限设计（弹性设计）1、传统基本方法2、弹性设计中的‘材料指数’（materials index）计算+建模翻译基于边界条件的筛查基于目标的材料排序深度参考分析第三步骤，需要简单的模型，以确定材料指数深度参考分析具有LIGHT & STIFF性能的材料硬度极限设计（弹性设计）-材料指数具有性能的材料拉杆平板横梁2013-1-113Materialindicesforelasticdesign最大限度减少重量: a light, stiff 拉杆硬度极限设计（弹性设计）-材料指数ε=F/AEε=F/AEMaterialindicesforelasticdesign最大限度减少重量: a light, stiff拉杆硬度极限设计（弹性设计）-材料指数材料指数Mt=E/ρ(subscript‘t’fortie)材料指数Mt = E/ρ(subscript t for tie),也称为比刚度2013-1-114Materialindicesforelasticdesign最大限度减少重量: a light, stiff 平板硬度极限设计（弹性设计）-材料指数公式中:E是杨氏模量;C1常数;I为截面二次轴距，又称为形状因数；L为长度*截面二次轴矩（secondaxialmomentofarea），又称截面惯量，或截面对某一轴的惯性矩，通常是对受弯曲作用物体的横截面而言，是反映截面的形状与尺寸对弯曲变形影响的物理量。Materialindicesforelasticdesign最大限度减少重量: a light, stiff 平板硬度极限设计（弹性设计）-材料指数公式中:E是杨氏模量;C1常数;I为截面二次轴距，又称为形状因数；L为长度2013-1-115Materialindicesforelasticdesign最大限度减少重量: a light, stiff panel硬度极限设计（弹性设计）-材料指数对于矩形截面：Materialindicesforelasticdesign最大限度减少重量: a light, stiff 横梁硬度极限设计（弹性设计）-材料指数对于方形截面：2013-1-116硬度极限设计（弹性设计）-图表根据我们假设，图上显示的边界条件为：E 10 GPa和相对成本3，。硬度极限设计（弹性设计）-图表如图显示：这是斜率为1的直线的方程，坐标为log(E)比log(ρ)我们将这些线作为甄选指标线。2013-1-117作为又轻又硬的平板使用的所有在M=E1/3/ρ指标线上的材料，其性能表现相同，高硬度极限设计（弹性设计）-图表ρ于该线的表现更好，低于该线的表现比较差。网格里的线对应于M=E1/3/ρ从M=0.22到M=4.6，单位是GPa1/3/（Mg/m3）。M=3的材料是M=0.3的重量的十分之一。案例学习1–开瓶器拉杆作为横梁，它的材料指数为：2013-1-118Casestudy1–acorkscrewlever案例学习1–开瓶器拉杆在线上方有三类材料：木头，碳纤维增强聚合物（CFRPs）和一些陶瓷。该建议是明确的。在只考虑密度与杨氏模量的时候，选择木材、某些陶瓷材料或更好的碳纤维复合材料都是可行的。合材料都是可行的案例学习2–建筑中的结构材料刚性梁最小质量m的材料指数，是发展较早的。梁的成本就是其质量乘以每公斤成本C就是其质量，m，乘以每公斤成本，Cm：最低成本的刚性梁的该指数是：2013-1-119Casestudy2–Cost:structuralmaterialsforbuildings案例学习2–建筑中的结构材料Casestudy2–Cost:structuralmaterialsforbuildings回答:案例学习2–建筑中的结构材料它隔离比较了混凝土，石材，砖，木头，铸铁，碳钢。混凝土，石头和砖只有压缩强度，必须将它们以这种方式（墙，柱，拱）建造。木材，钢材和钢筋混凝土的强度在于拉伸和压缩，此外，钢铁，可以制造成有效的形状（I截面，箱形截面，管），可以进行弯曲和拉伸负荷，以及压缩，允许更多更自由的建筑物形状。2013-1-120CES材料设计CES材料设计CambridgeEngineeringSoftware韩高荣教授博导,[e-mail]徐刚博士副教授,[e-mail]李翔博士，[e-mail]@j浙江大学材料系无机非金属材料研究所强度极限设计强度极限设计2013-1-121Bend and crush: strength‐limited design硬度极限设计是为了避免过度弹性形变；强度极限设计硬度极限设计是为了避免过度弹性形变；硬度极限设计（弹性设计）意味着使材料始终处于屈服状态以内，即弹性形变状态。然而，弹性设计并非一直可行。在现实应用中，材料设计还应涉及可控的塑性形变；强度极限设计（有限屈服设计）是为了避免塑性断裂；度极限有限免性断强度极限设计拉伸——