Materiaalit

Materiaalin valinnalla on suuri merkitys tuotteen elinkaarelle. Valinnan perustana ei koskaan pitäisi olla pelkästään kappaleen lujuus, vaan usein muut tekijät ovat määräävämpiä. Materiaalin fysikaalisia ominaisuuksia käytetään hyväksi määritettäessä kyseiselle materiaalille sallittujen jännitysten ja muodonmuutosten arvoja.

Yleensä jännitysten ja muodonmuutosten sallitut arvot lasketaan kriittisistä arvoista jättämällä tietty varmuusmarginaali epävarmuustekijöiden huomioimista varten. Varmuusmarginaalia kutsutaan myös varmuuskertoimeksi ja sen valintaan on olemassa tiettyjä ohjeita, joskin usein valinta jää suunnittelijan kokemuksen varaan.

--------------------------------------------------------------------------------

Materiaalin valinta

Materiaalin valinta on usein varsin vaativa tehtävä. Tämä johtuu ensinnäkin siitä, että suunnittelijalla on käytettävissään kymmeniä tuhansia erilaisia materiaalivaihtoehtoja. Lisäksi materiaalin valinta johtaa usein hyvin moniulotteiseen optimointitehtävään, jonka ratkaiseminen harvoin onnistuu edes matemaattisin keinoin. Siksi suunnittelijan kokemuksella onkin suuri merkitys materiaalin valinnan onnistumisessa.

 

Sallitut jännitykset ja varmuus

Jos rakenteessa vaikuttava suurin jännitys ja materiaalin lujuus tunnetaan tarkasti ja jos edelleen sallittu jännitys on suurempi kuin kappaleessa vaikuttava jännitys, voidaan varmuudella sanoa, että kappale kestää siihen vaikuttavan kuormituksen. Käytännössä mainittuja arvoja ei kuitenkaan tunneta tarkasti, jolloin tarvitaan varmuusmarginaali, jota nimitetään varmuuskertoimeksi ja merkitään yleensä kirjaimella n.

 

Sallitut muodonmuutokset

Monilta rakenteilta vaaditaan riittävää jäykkyyttä ts. rakenne ei saa muuttaa rasituksen alaisena liikaa muotoaan (venyä, taipua tms.). Muodonmuutos ilmaistaan usein suhteessa rakenteen muihin mittoihin (esim. pituuteen). Tämän suhteen sallittu suuruus riippuu paljon rakenteen laadusta ja tarkkuusvaatimuksista. Koneiden akseleissa voidaan 1/3 mm metriä kohden pitää kohtuullisena taipumana, siis suhteellinen taipuma on 1:3000. Monissa vähemmän tarkoissa rakenteissa sallitaan suhteellista taipumaa 1:1000...1:400.

 

Materiaaleja vertaillaan usein kahden muuttujan avulla kuten kuvassa yllä, jossa muuttujina ovat lujuus ja tiheys. Usein rakenteilta edellytetään sekä lujuutta että keveyttä, jolloin parhaita ovat mahdollisimman vasemmalle ja ylhäälle kuviossa sijoittuvat materiaalit.