معیارهای طراحی استاتیکی در مهندسی مکانیک و چند مثال از طراحی مهندسی

معیارهای طراحی استاتیکی در مهندسی مکانیک و چند مثال از طراحی مهندسی در این بخش ارائه شده است. در درس طراحی اجزاء 1 مهندسی مکانیک انواع معیارهای طراحی و طراحی مهندسی طراحی می شود.

برای مشاهده لیست اساتید طراحی اجزاء بر روی عبارت تدریس خصوصی طراحی اجزاء کلیک کنید.

***معیار طراحی  به دو دسته اصلی شامل:

مواد شکل پذیر (با معیار تسلیم)__Ductile Materials(yield criteria)

1ـ بیشترین تنش برشی ـ Maximum Shear Stress (MSS)  

2ـ انرژی واپیچش  ـDistortion Energy (DE)

 3_ Coulomb-Mohr شکل پذیرDuctile Coulomb-Mohr (DCM) _

مواد ترد(معیار شکست یا پارگی)__Brittle materials(fracture criteria)

_1 بیشترین تنش عمودی Maximum Normal Stress (MSN) _  

2_  Coulomb-Mohr ترد_ Brittle  Coulomb-Mohr (BCM)

3_ Coulomb-Mohr بهبود یافته_ Meliorated Mohr (MM)

معیارهای طراحی مواد نرم

1ـ بیشترین تنش برشی ـ Maximum Shear Stress (MSS)  

این معیار که برای مواد نرم و معمولا برای قطعه در شرایط آزمایشگاهی اسنفاده میشود. با نام "معیار ترسکا " هم شناخته میشه. و یک معیار محافظه کارانه است و این را بیان میکند که قطعه وقتی وامانده میشه که بیشترین تنش برشی ایجاد شده  با تنش برشی تسلیم برابر باشد (در واقع استحکام تسلیم برشی).

2ـ انرژی واپیچش  ـDistortion Energy (DE)  

این معیار که برای مواد نرم مورد استفاده قرار میگیرد. در بین معیار های موجود برای مواد نرم دقیق ترین میباشد. بر اساس این معیار یک اِلمان از قطعه مورد بررسی را درنظر میگیریم و انرژی کرنشی کل رو که دراین المان ذخیره شده رو به دوبخش تقسیم میکنیم. که این انرژی کرنشی ذخیره شده باید برابر باشد با مجموع قسمتی که باعث تغییر حجم المان میشود به علاوه قسمتی که باعث واپیچش یا در واقع تغییر شکل المان میشود. به این معیار ون مایسز هم گفته می شود.

3_ Coulomb-Mohr شکل پذیرDuctile Coulomb-Mohr (DCM)  

این معیار که یک معیار برای مواد نرم و هم برای مواد ترد بوده و بیشترین کاربرد آن برای موادی  است که مقاومت فشاری آنها بیشتر از مقاومت کششی آنهاست.

معیارهای طراحی مواد ترد

1- بیشترین تنش عمودی Maximum Normal Stress (MNS)   

این معیار که برای مواد ترد مورد استفاده قرار میگیره و عمدتا داری نقص های میباشد که زیاد مورد استفاده در واقعیت قرار نمیگیرد ولی برای کار های تئوری بکارد میرود .

2_  Coulomb-Mohr ترد_ Brittle  Coulomb-Mohr (BCM)

این معیار که یک معیار هم برای مواد نرم و هم برای مواد ترد، بیشترین کاربرد رو برای موادی  دارد  که مقاومت فشاری آنها بیشتر از مقاومت کششی آنهاست. تفاوت عمده این معیار در مواد نرم و ترد این است که، در مواد نرم استحکام تسلیم مدنظر است ولی در مواد ترد استحکام شکست.

3_ Coulomb-Mohr بهبود یافته_ Meliorated Mohr (MM)

این معیار که برای مواد ترد به کار میرود در واقع همان طور که از اسمش پیداست ،اصلاح شده دو معیار کلومب مور در مواد ترد و نرم میباشد.و چون معمولا در محدوده تنش های صفحه است و با ضریب ایمنی سرکار داره ، بیشتر برای مقاصد طراحی بکار میره. مطالعه کنید: راهنمایی استفاده از معیارهای طراحی استاتیکی مواد نرم و ترد درس طراحی اجزا 1 مهندسی مکانیک

مثال 1 طراحی مهندسی مکانیک - تشریح فلوچارت طراحی یک وسیله_(جاروبرقی هوشمند)

همانطور که میدانید مراحل طراحی یک وسیله شامل شش بخش می باشد که عبارتند از:    1_نیاز   2_تعریف مسئله    3_ترکیب کردن    4_تحلیل و بهینه سازی    5_ارزیابی    6_ارائه

که در ادامه به تشریح هریک از موارد فوق برای وسیله انتخابی خواهیم پرداخت.

1_نیاز:  در طی زندگی انسان و گذرزمان نیازهای وی دچار تغییر و یا باعث ایجاد نیازهای جدیدی در سبک زندگی وی شده است که وابسته به محیط زندگی یا سبک زندگی و ... است.از جمله ی این نیازها نیاز به تمیزی و پاکیزگی که همواره رابطه ی مستقیمی با سلامت روح و روان انسان داشته بیش از پیش احساس شده و با پیشرفت علم و دچار شدن انسان به زندگی ماشینی و روزمرگی و کمبود وقت دست به اختراع وسایل نظافت و ایجاد نیاز کمک گرفتن از وسایل نظافت در وی شده است.که به طور مثال می توان اختراع جاروبرقی هوشمند را که وسیله کمکی است برای انسان در عصر ماشینی شدن کارها و کمبود وقت نام برد.

2_تعریف مسئله: در پی احساس نیاز باید به تعریف مسئله نیز پرداخت که می توان پرسید وسیله ای که مورد نیاز است باید چه ویژگی هایی را دارا باشد. مثلا هوشمند بودن دستگاه که بودن دخالت نیروی انسانی کار نظافت را انجام دهد و یا ویژگی تامین انرژِی دستگاه که بصورت اتصال با سیم یا بدون سیم باشد.که با انتخاب ویژگی بدون سیم باید دستگاه را طوری طراحی کرد که برای تامین انرژی مصرفی خود بصورت اتوماتیک و با استفاده از سنسورهای هوشمند قبل از اتمام شارژ و در سطحی تعیین شده خود را به محل شارژ تعیین شده رسانده و شارژ شود.از دیگر ویژگی های مورد نیاز دستگاه می توان به برخورداری از موتوری قدرتمند و در عین حال کم حجم اشاره کرد که باید بکار گرفته شود.و یا دارا بودن سنسورهای دقیق و قوی برای تشخیص موانع و دور زدن آنها برای افزایش کار نظافت می تواند از دیگر ویژگی های دستگاه باشد.

3_ترکیب کردن: ترکیب کردن خواسته های و ویژگی های مورد انتظار دستگاه مثل داشتن موتور قدرتمند و سبک و کم حجم و تامین انرژی بصورت خودکار و ... برای بکار گیری حداکثر ویژگی ها یاد شده در کنار هم و بصورت اجماعی باید نهایت دقت و همگرایی بکار گرفته شود.

4_تحلیل و بهینه سازی: در ادامه ی مراحل و ترکیب کردن ویژگی ها و ایده ها باید آنها را تحلیل و بهینه سازی کرد.به گونه ای که هریک از ویژگی های ذکر شده از دستگاه بصورت کاملا کاربردی و نه فقط در حد ایده و تفکر باشد و مورد تحلیل و بهینه سازی قرار گرفته و در صورت تحقق بکارگیری شوند.به عنوان مثال برای دستگاه مورد بحث باید دید که آیا می توان از سیستم هوشمند شارژ خودکار و یا بکارگیری سنسورها هوشمند بهره برد؟! در صورتی که جواب بله است به بهترین نحو ممکن بکارگیری و مورد استفاده قرار گیرد.

5_ارزیابی: پس از تحلیل و بهینه سازی قطعات و دستگاه باید به ارزیابی آنها بپردازیم.که در این رابطه می توان از سیستم های نرم افزاری و یا آزمایشگاه های مربوطه برای کنترل کیفیت و ارزیابی کلی دستگاه کمک گرفت. مهمترین اصل دراین بخش تهیه و تولید نمونه ی اولیه محصول و انجام تست عملی و بررسی کارایی واقعی و مقایسه با طرح و داده های تئوری طرح است. که بسته به توان مالی و قدرت تولید کارخانه یا شرکت تعداد دستگاه هایی که مورد ارزیابی قرار می گیرد  متفاوت است به گونه ای که هرچه کارخانه یا شرکت تعداد بیشتری از دستگاه را ارزیابی قرار دهد جامع آماری بیشتری داشته و نتایج بهتری در دست خواهد داشت. در مورد جاروی برقی هوشمند مورد بررسی ما باید نسخه ی اولیه ای تهیه و در محیطی شبیه سازی شده یا واقعی مورد ارزیابی قرار گیرد و چنانچه به نتیجه ارزیابی مطلوب دست نیافتیم به مراحل قبل بازگشته و تغییراتی را اعمال کنیم.

6_ارائه: پس از ارزیابی و کنترل کیفیت نهایی توسط کارخانه یا شرکت محصول مورد نظر به تولید عمده و مورد نیاز بازار رسیده و جهت عرضه وارد بازار هدف میشود. حتما بخوانید: آموزش طراحی اجزا رشته مهندسی مکانیک - معیارهای طراحی استاتیکی به زبان ساده

مثال 2 طراحی مهندسی - ماشین اصلاح صورت آقایان

با توجه به این نکته که طراحی با تشخیص یک نیاز و اقدام به رفع آن شروع میشود ، ما هم میخواهیم در این پروژه یکی از مدل های فیلیپس موجود در بازار را بررسی کنیم.

سرو صدای آن باتوجه به اینکه نسبت به بقیه ی مدل های موجود در بازار کمتر است ، ولی صدای آن هنگامی که با پوست صورت در تماس است مضاعف شده و واقعا گوش را اذیت میکند.

و البته ناگفته نماند که در مدل های چهار تیغه ایی واقعا از لحاظ وزن نسبت به رقبای چینی ضعیف عمل میکند.

حال اگر بخواهیم از لحاظ تعریف مسئله نگاه کنیم ، باید به این نکته توجه کنیم که ورودی موهای زاید به داخل مخزن ریش تراش به موقع بوده ولی ظرفیت آن کم است و تا حدودی میتوان اظهار نظر کرد که روی سر و صدای آن تاثیر دارد.

ناگفته نماند که اگر بخواهیم نقشه ی ترکیبی آنرا رسم کنیم ، نیازی نیست که از صفره صفر شروع کنیم و این چند مورد را میتوان جداگانه بررسی و حل نمود .

حال بایستی بصورت کامل تحلیل کنیم.

باید سیستم فیزیکی ما به بهترین وجه شبیه سازی شود. مثلا میتوان مخرن موهای زاید را از جنس پلاستیک درست کرده و بصورت همزمان در ابعاد بزرگ تر . البته این نظر شخصی بنده هستش باتوجه به بررسی نمونه های موجود. چون اگر از جنس پلاستیک ساخته شود هم وزن آن کاهش می یابد و هم میتوان ابعاد آنرا گسترش دهیم این در حالی هستش که به وزن اصلی دستگاه اضاف نشود و نکته ی جالب اینه که هزینه ی تعویض آن نیز پایین تر هستش.

حال این نمونه  را باید در مرحله ارزیابی قرار بدیم . چون این مرحله یه مثابه تایید نهایی طرح موفق ما است و معمولا شامل آزمایش نمونه اولیه بصورت پیش طرح در آزمایشگاه است.

ما در این مرحله بررسی میکنیم که آیا طرح بدست آمده ما نیازهای از پیش شناخته شده را برطرف میکند یا خیر. و یا آیا طرح ما طرحی قابل اعتماد است یا خیر.

پس ما در واقع آمدیم و مشکل این دستگاه را شناسایی کردیم و یک قطعه با ابعاد بزرگتر و از جنس متفاوت تر ( جنس پیش فرض خود دستگاه آلومنیوم در ضخامت بسیار بسیار کوچک است ) یعنی پلاستیک استفاده کردیم.

اگر بخواهیم در مورد ملاحظات طراحی بررسی کنیم ، داریم:

یک – عملی بودن این طرح

دو – بی خطر بودن طرح ، به دلیل تغییر ندادن شکل کلی دستگاه

سه – قابلیت اعتماد را نیز دارد به دلیل جنس جایگزین قطعه ی مذکور

چهار – هزینه ی تعویض و جایگزینی آن نیز کم است ( پلاستیک کم هزینه تر است)

پنج – صدای مزاحم آن نیز کاهش پیدا کرده باتوجه به طراحی جدید

شش – قابلیت ساخت مجدد را نیز دارا است

هفت – قابلیت بازیابی به دلیل پلاستیک بودن جنس مذکور حتما ببینید: فیلم نمونه تدریس طراحی اجزا 1 مهندسی مکانیک - معیارهای طراحی استاتیکی - انرژی اعوجاجی (ون مایسز)

مثال 3 طراحی مهندسی - بررسی و ارزیابی: صندلی ارگونومیک

نیاز: روش زندگی انسان در طول تاریخ دچار تغیرات بسیاری شده و با توجه به شرایط کنونی که در آن هستیم همچنان در حال تغییر است. یکی از این تغییرات کم شدن فعالیت بدن و نشستن ساعات زیادی در طول روز است. در اثر نشستن طولانی بر روی صندلی‌های معمولی و غیراستاندارد دچار خستگی مفرط و دردهای اسکلتی و عضلانی متعددی می شویم. به همین خاطر ما نیاز به صندلی های استاندارد هستیم.

تعریف مسئله: ما پس از مشخص نمودن نیاز خود نیاز به تعریف مسئله نیز داریم. ما باید در تعریف مسئله به پارامترها و استانداردهای خود که برای یک صندلی استاندارد تعریف شده اند توجه کنیم. این پارامتر و استاندارهایی که در نظر داریم عبارتند از قد و وزن فردی که صندلی استفاده می کند و استحکام پایه های صندلی و همچنین قابلیت تنظیم اجزای اصلی که شامل دسته ها و پشتی که به آن تکیه می دهیم.

ترکیب کردن: ما پس از تعریف مسئله برای نیاز خود به سراغ ترکیب کردن این پارامترها می رویم. در صندلی استاندارد به سراغ ترکیب و کنار هم قرار دادن اجزا و پارامترهایی که همانطور برای صندلی استاندارد تعریف کردیم که شامل پایه های مستحکم و قابلیت تنظیم دسته های صندلی و پشتی که به آن تکیه می دهیم و همچنین قد و وزن فردی که از صندلی استفاده می کند که به طور کل یک صندلی استاندارد و مناسب به ما می دهد.

تحلیل و بهینه سازی: پس از پشت سر گذاشتن مراحل بالا ما باید به تحلیل و بهینه سازی خروجی که در نظر داریم همواره توجه داشته باشیم. برای تحلیل و بهینه سازی و همچنین کارایی بیشتر صندلی استاندارد می توان به محیط کاربری و شخصی که از آن استفاده می کند توجه بیشتری داشت. مثلا می توان صندلی طراحی کرد که در محیط های اداری جابه جایی بیشتری داشته باشد یا برای محیط خانه فضای کمتری اشغال کرد و همچنین جنس پایه و بدنه و همچنین روکش نشیمنگاه و پشتی آن را ملاک قرار داد.

ارزیابی: پس از انجام دادن مراحل بالا به ارزیابی محصول نهایی خود می پردازیم. برای ارزیابی صندلی استاندارد باید با انجام دادن آزمایش و شبیه سازی های متعددی که به کمک نرم افزار انجام می شود به بهترین ارائه مورد نظر خود برسیم

ملاحظات طراحی: شامل ویژگی هایی می شود که هم در حین انجام و هم در حین پایان مراحل بالا باید در نظر داشته باشیم که برای صندلی استاندارد و ارگونومیک شامل: شکل، اندازه و وزن، طول عمر خوردگی و استحکام و مقاومت و ایمنی، چرخش و جهت گیری، قیمت و بازاریابی - حتما ببینید: فیلم آموزشی - مقایسه معیارهای طراحی استاتیکی ترسکا و ون مایسز از درس طراحی اجزا مهندسی مکانیک