阅读时间:8分钟
在我最后一篇文章，我们讨论了通过几何变化来提高零件刚度的方法，以及为什么这是一个重要的工具。在“刚度设计”系列的第2部分中，我们将通过材料属性来改变部件的刚度。我们将使用许多相同的公式，但我们将重点关注我们可以通过材料选择控制的属性。
下面的段落将详细介绍我们将要检查的特定材料特性，以及它们如何应用于零件刚度。此外，我们将通过一些示例问题来帮助我们准确地理解如何应用这些知识。
材料基础知识
当我们开始通过改变材料属性来增加或减少部件的刚度时，我们实际上是在说，我们需要选择一种具有更高或更低弹性模量的材料。弹性模量是给定材料的一种特定性质，它定义了材料的硬度。在这篇文章中，我们还将简要地了解材料的屈服和极限强度，因为它们在某种程度上是相关的。
弹性模量
材料的弹性模量，也称为杨氏模量，定义为应力-应变曲线在线性(弹性)区域的斜率。我们将看一些数据来帮助解释这一点，但首先，让我们回忆一下什么是压力和张力:
应力-应力是施加在零件上的单位面积上的力。如果我们把一根1平方英寸的竖条挂在底部100磅的重物，这个竖条上的压力将是每平方英寸100磅。应变-应变的定义是长度的变化，除以试样在应力作用下的原始长度。回到我们的悬浮杆的例子，假设这个杆最初是100英寸，它总共延伸了0.25英寸。这意味着我们的菌株是0.0025 in/in。
现在我们已经解决了这个问题，我们可以开始讨论应力-应变曲线了。这是一个典型的曲线，通过测试材料，通过“拉伸”他们的专用机器。曲线的x轴为应变值，y轴为应力值。下图来自德克萨斯大学阿灵顿分校详细说明了简单的应力-应变曲线的主要组成部分。
在这幅图中，斜率被认为等于刚度，这对材料本身是正确的。也就是说，斜率更陡的材料比斜率更浅的材料更硬。举个例子，ABS比橡皮筋的斜率要陡得多。黑色线段的斜率就是前面提到的弹性模量。在屈服点之前，材料表现出弹性，这意味着当应力去除时，材料会恢复到原来的形状和尺寸。如果我们超过屈服点，材料将永久变形，这通常是一件坏事，除非零件是设计变形，如铆钉。这条红线的斜率在本文中不会使用，因为它在我们将要研究的公式或有限元分析中没有使用。
屈服和极限抗拉强度
现在，我们已经清楚了应力-应变曲线的基础，让我们回顾这些曲线中两个最重要的应力值。第一个是材料的屈服强度，这是我们可以在材料上施加的最大应力，而不会永久变形(由上面的屈服点表示)。其次是材料的极限抗拉强度(UTS)，它被定义为材料可以支持的最大应力。下面的应力-应变曲线有这些值标记。
如果我们从标记为“屈服应力”的点到纵轴画一条水平线，它将相交于定义材料屈服强度的应力值。这对UTS来说也是一样的。我们的曲线没有给轴赋任何数值，所以我们不能获得物理值，但是我们在本文后面的示例中定义了其中的一些值。
基本问题的解释
我们需要了解这些属性的关键原因是了解如何在组件设计中使用它们。我们需要一些非常坚硬的部件，这样它们在负荷下就不会变形。在某些情况下，我们希望材料容易变形，而不需要太多的力。本文将从两个方面来解决这个基本问题。
应用的例子
在本节中，我们将看看如何实际应用我们从应力-应变曲线中学到的东西。但是首先，我们需要回顾一些我们讨论过的公式第1部分本系列的。
感兴趣的公式
我们将重述的第一个公式定义一端有负载的悬臂梁的挠度，如下所述。
地点:
- δ=偏转
- P =最后施加的力
- L =杆的长度
- E =弹性模量
- I =面积惯性矩(MOI)
接下来，我们将重新审视刚度公式，如下所示:
我们可以通过这个公式从数学的角度看到弹性模量是如何与刚度相适应的。这个关系是线性的，所以如果我们把弹性模量翻倍，我们就把刚度翻倍。增加一倍的刚度意味着需要两倍的力才能使一个部件偏离原来的位置。这一原则是本文的核心。
材料要考虑
应用这一概念的下一步是了解我们可能使用的材料及其弹性模量。下面的列表详细说明3D打印塑料由Fictiv提供它们的弹性模量:
材料弹性模量(psi)
FDM解放军293000年到514000年
FDM ABS319000年
VeroWhite / VeroBlack290000年到435000年
SLS尼龙12 185,000
VisiClear186083年到212190年
这些数值发表在Stratasys的材料部分，在某些情况下可能取决于部件的建造方向。在下一个例子中，我们将使用两个没有列在图表上但具有已知属性的材料。这些材料是尼龙12 (FDM)和尼龙12玻璃填充(SLS)。在下面的例子中使用这些材料，以便在高刚度和低刚度的材料之间提供更好的对比。尼龙12 (FDM)的模量为185,000 psi，而尼龙12玻璃填充(SLS)的模量为420,000 psi。我们可以看到，玻璃填充尼龙12的硬度是普通尼龙12的2.27倍。我们将在下面的示例中使用这些属性来了解它的含义。
设计实例-增加刚度
在第一个例子中，我们将回顾一个简单的管子，它是悬臂的，在一端施加一个力。下图显示了带有锁图像的固定端和箭头指向向下的加载端。
施加的载荷为10 lbf，第一个模拟材料是尼龙12，模量为185,000 psi。下图表明，在施加载荷的情况下，我们将看到末端的变形为0.934英寸。
接下来，我们将改变材料的玻璃填充尼龙12 GF，看看我们是否真的看到刚度增加了2.27倍。下图详细说明了这项研究的结果。
新的偏差只有0.4114英寸，如果我们用原来的0.934英寸除以新的0.4114英寸，我们正好得到2.27英寸。这告诉我们，由于改变弹性模量，我们的有限元分析研究与材料刚度的增加完全一致。
在这个例子中，我们使用了一个简单的形状，但是这个概念在现实世界中也有应用。我们可能想要增加塑料挂钩的刚度，这样它们就不会在负载下掉下来。另一个例子可能是增加围护结构和房屋的刚度，这样墙壁就不会轻易变形或倒塌。很可能你日常生活中使用的大量塑料部件都经过精心设计，以达到适当的刚度。
设计实例-减少刚度
在下一个例子中，我们将看一个我们实际上想要的例子减少刚度。让我们回到我的文章中的snap-fit示例机械紧固件，如下图所示。
在这张图片中，我们可以看到，snap fit必须变形0.018英寸，以清除保留它的特征。然而，如果材料真的很硬，当它承受0.018英寸的挠度时，应力将在这个组件中过高。让我们看看当卡扣变形这么大的时候，应力是多少，而该部件是由尼龙12 GF制成，模量为42万psi。下面的第一张图片展示了一个4.136 lbf的载荷产生的0.018”的变形。
一旦我们达到了我们所需要的挠度，我们就可以看到当零件挠度达到这个程度时所产生的应力。下面的图像是相同的模拟，但我们现在看的是部分的应力。
这个分析表明，我们看到的应力超过了5250屈服强度，所以我们很可能只需要安装和拆卸这个盖子就会损坏这个部分。我们几乎可以肯定，在几个循环之后，在角落里会出现应力裂缝。
如果我们用一种模量较低的材料，比如我们原来的尼龙12 (185,000 psi)，会怎么样?如果您回想一下我们讨论过的应力-应变曲线，对于给定的应力值，具有较低模量的材料将承受更多的应变。简单地说，这意味着我们可以期望snap移动相同的0.018“，而压力更小。
我们将再次进行有限元分析研究，但这次使用的是较低模量的尼龙12。以下是同一研究的结果;然而，由于模量较低的材料需要更小的力来产生相同的偏转量，弹簧上的载荷已经降低到1.822 LBF。
我们已经达到了所需的0.018”的挠度，所以让我们看看下图中我们所关心的应力。
之前压力达到6643 psi的区域现在只有2926 psi。如果你像我一样，你已经做了计算，以确保尼龙12 GF的应力正好是标准尼龙12的2.27倍。
这个概念可以进一步扩展，允许卡扣配合部件的不同插入和移除力，所以我鼓励您尝试使用不同的模量材料，以了解它们的性能。
主要收获
随着您的物质知识和物质选择的增加，我希望本文中的原则对您更有价值。检查材料选择3 d打印技术和数控加工服务,参观Fictiv硬件指南．
