文档介绍：第九章产品设计的因素
弹性、同一性和各向同性的影响
在设计一件产品时,无论是什么类型的,设计者需在了解适合产品要求的材料在产品最终使用条件下的表现行为才能开始设计。设计者和设计小组要成功地设计出产品,就必须知道材料的限制和产品的要求。塑料不同于金属材料,在各种条件下,它们都表现出不同的性质。金属产品都是按照各向同性和同一性来设计的,并且具有良好的弹性性质。设计一件塑料产品时,设计者应该利用塑料所特有的优点。
塑料产品的设计者应该理解并记住的一点是:塑料在负荷作用下的响应不是线性的。负荷的微小改变,塑料都会表现出非线性的性质。温度与环境对于材料负荷作用的响应方式有更大的影响。因此,在设计时需要用标准的金属工程常数,如弹性模量与泊松比等,在设计时应该要做出适当的调整。材料的这些常数会随着最终产品使用时的条件改变而变化。这些常数是用来描述材料的力学响应行为。这些常数会随着材料、温度及环境而变化,在设计时应该调整它们的值使之符合设计要求。
仅对于那些在负荷作用下表现出线性的弹性、各向同性的材料来说(例如,负荷与变形成比例),这两个变量可用来正确分析制品承受的负荷作用。只有均一同质的材料,这些数值才能在整个设计时使用,金属材料也是一样。
在产品结构分析中,工程师假定该材料是线性柔性的,均匀的和各向同性的。这就要求在分析材料结构在受到诸如拉伸、弯曲及扭转此类建立在各向同性材料基础上的力的作用时的响应行为时,需要正确应用工程设计方程。但是这对于塑料尤其玻璃增强和液晶高分子这类高度各项异性的材料来说就不适合了。因此,随着各向异性程度的增加,在材料受到内力作用的时候,设计者须改变条件以使包括拉伸强度、系数和泊松比在内的物性常数数值能正确描述产品材料的响应行为。为了确保精确分析产品材料的响应行为,应该对具有关键或身负重要责任用途的进行全面而详细的目标用途测试。通过建造或浇铸一个被挑选好材料的原型就能很容易并成功的实现这种测试。这就需要确保在设计过程中考虑塑料材料性质的可变性和运用各项异性分析技术-这些技术能用适合分析产品结构的设计方程。
设计小组应该时常与材料供应商协商,尽可能获得最切实际的材料的数据,以便于对材料的物理性能进行评估。这样就能确保在设计条件下,方程中的数值能反映材料在实际应用中的响应行为。材料供应商提供的是普通树脂产品的详细数据,但是因为产品种类繁多,故只能对其主要标准产品进行测试。因为所有产品条件各有不同,所以这些数据只能是大概提供设计所要求的条件。在这些情况下,设计小组须用一个安全因子来确保设计分析、材料性质及加工的变数影响产品的最终使用性能。随着人们不断使用有限元分析方法(FEA)来分析复杂的结构,材料的行为与特性值在正确分析产品的重要作用日益凸现。
下面是影响产品分析的因素:
产品的几何尺寸
产品所受的力及受力的位置
载荷的速度
温度
环境
材料的变化
加工、装配、装饰、运输及安装的变数
产品的最终使用功能需要设计者通过设计产品的几何尺寸或形状来实现。塑料产品很容易设计满足客户特定的要求:减少重量,增加一些有多功能和装配费用低这样有特色的功能。当塑料产品具有花费低、更多的功能,能给使用者美的愉悦感的诸多优点时,就自然会取代金属产品。设计小组还要确定产品的生产方式,确定是用注射成型、压延成型、热塑成型的加工方式还是其他的加工方式。产品应该容易设计,制造的重复性好,并且很经济。
-应变分析
力在物理学上定义能导致改变、破坏或产生运动的物理作用。因此力可以是推力、拉力或冲击力,既可以是静止的也可以是运动的。力(符号:F)可以表示为质量(符号:m)与加速度(符号:a)的乘积。
在产品设计时,为了分析的方便,开始要对一个静态的、不运动的模型进行分析。动态设计包括齿轮、风扇、轴衬、滑轮、轮子及其他的装置,对其分析时,静态、动态、加速度和运动作用都是独立分析,然后再把静态设计分析的内容加合在一起。塑料材料优于许多普通材料的特点是,在设计过程中能把其材料的性能转化为制品所需的一些性能需要。这包括吸收能量特性、自润滑性和抗化学腐蚀性,这几种性质综合于一身并赋予塑料材料具有承受高载荷的能力。塑料产品在受到力的作用下也能产生变形,将所受的力传递并分散到整个制品上,这样就不会在受力点产生破坏。这就使设计者在考虑产品的应用时多了一个安全系数,这个重要的系数在设计过程中往往需要考虑,因为它涉及到应变速度和蠕变。塑料对应变速度很敏感,因为产品受到的力变为应力的时候会发生粘弹性与粘塑性的转化。施加在产品上的力的速度、类型及持续的时间将决定是产生蠕变和还是产生冲击,哪一个是影响产品力学响应的主要因素。力的速度、大小、持续的时间,还有