HiN Eksamen IST Side 4

Transkript

1 HiN Eksamen IST Side 4 Materialer og mekanikk. Teller 5% av eksamen Poengangivelsen viser kun vektingen mellom de fire oppgavene. Innenfor hver oppgave er det læringsmålene som avgjør vektingen. Oppgave 3 (14 poeng) Besvar disse spørsmålene helt kort. Bruk maksimalt noen få setninger pr. spørsmål: a) Beskriv kort de mekaniske egenskapene som særlig kjennetegner materialgruppene metaller, keramer, polymerer og kompositter. b) Hvilke kjemiske bindingstyper forekommer i polymerer? Beskriv hvor/hvordan! c) Hvilken krystallstruktur har de metallene som er de mest duktile? d) Skisser / forklar hva som kjennetegner strukturen fcc geometrisk. e) Hva skjer på krystall / atomplan-nivå i et metall som får plastisk flyt? f) Hva betyr det, helt generelt på krystall / atomplan-nivå, å herde et metall. g) Hva er forskjellen mellom termoplast og herdeplast? h) Hva kan du si om E-modulen til en polymer som befinner seg hhv. over og under sin glassomvandlingstemperatur? i) Nevn tre ting som kan gjøres med en polymer for å gjøre den mer motstandsdyktig mot UV-lys. j) Hva kjennetegner fluoropolymererne og særlig PTFE? k) Hva menes med å måle "Collected Volatile Condensable Material" for polymermaterialer som skal benyttes til rom-formål? l) Hva er forskjellen mellom "outgassing" og sublimering. m) Man kan bruke varming ("bake out") over lenger tid for å motvirke "outgassing" i rommet. Det vurderes å behandle en instrumentseksjon i herdet aluminium (68) med instrumenter og polymerkomponenter i 5 timer ved temperaturen C, som er 5 grader under tålegrensen for instrument og polymermaterialer. Vil dette by på betenkeligheter? Evt. hvilke? Oppgave 4 (6 poeng) Se vedlagte notat om aluminium-lithium legeringer (l-li legeringer). Svar kort på spørsmålene: a) Hvilke egenskaper har l-li legeringer i forhold til andre l-legeringer med hensyn til stivhet og vekt? b) Tenk deg en legering med bare l og Li. Vil denne legeringen være utherdbar? Forklar hvorfor / hvorfor ikke. c) Hvilke andre legeringselementer er det vanlig å tilsette til legeringer av typen l-li? Hvorfor regnes to av de nevnte legeringene som xxx legeringer mens en regnes som 8xxx legering?

2 HiN Eksamen IST Side 5 Oppgave 5 (1 poeng) En nyttelast med masse kg henges opp i fire (4) rammer av typen vist på figuren. Nyttelasten gir treghetskrefter som vist med F, likt fordelt på hver ramme. Rammen er sveist fast i og C Under oppskyting er den maksimale akselerasjonen 7g. a) Hvor stor masse henger i hver i ramme? Hvor stor blir treghetskraften F i hver ramme? b) Gjør en idealisering slik at rammen betraktes som et fagverk. Vis ved utregning at kreftene i B og BC er i nærheten av 35 N i B og 49 N i BC (absoluttverdi). c) En av disse kreftene er en trykkraft. Hvilken? d) Rammen tenkes utført i aluminium hulprofil, 8 8mm og veggtykkelse,8 mm. Vis ved utregning at annet arealmoment for profilens tverrsnitt er ca mm 4 e) I denne rammekonstruksjonen må man kontrollere om det er fare for knekking. Hvor må dette gjøres? 8 C 3,8 3 B F 8 f) Materialet har flytegrense 8 MPa og E-modul 7 GPa. Kontroller om flytegrensen overskrides og om det er fare for knekking. Oppgave 6 (1 poeng) Elektroniske kretskort settes inn i en instrumentpakke for oppskyting med rakett. Denne oppgaven handler om vibrasjoner som påvirker disse. a) Hva er årsaken til at det vil oppstå vibrasjoner under det meste av oppskytingsfasen? b) Hva kan skje dersom komponenter på kortene kommer i kontakt med hverandre under vibrasjonene? Hvor stor avstand bør det være mellom komponenter på kort som må stå fritt i vanlige nyttelastkonstruksjoner? c) Et kort som er innfestet kun i kantene har en resonansfrekvens som er målt til 5 Hz. Den mest følsomme komponenten tåler maksimalt en akselerasjon på 3g. Hva er maksimalt tillatt svingeamplitude ved resonansfrekvensen? d) nslå en dempningsfaktor for dette kretskortet med en passende formel. Vibrasjonsbelastningen regnes å få en spektraltetthet på, g / Hz. Estimer den maksimale akselerasjonen er sannsynlig innfor 3 standardavvik.

3 HØGSKOLEN I NRVIK, Formelvedlegg 1 Mekanikk /ROM 1. Tverrsnittsstørrelser Flatesenter, tyngdepunkt Generelt, flatesenteravstand fra akse L SL r, SL rd S L : arealmoment (statisk moment) om L Flater som kan deles opp: xi i S y x i i x, y nnet arealmoment (treghetsmoment) Generelt I r d, L der r er avstand til akse L S y Den elastiske linje for en bjelke dv dx q, dm dx V, d u M ( x) dx EI Den enkle bjelketeori, små tøyninger M Bøyespenning σ y I Normalspenninger kseparallell skjærkraft M σ K Skjærspenning (jevnt fordelt) I V I N y + S' K τ b nnet arealmoment om akse gjennom flatesenteret: Rektangel: 3 BH I, H aksen 1 Sirkel: 4 πd I 64 Sirkulær ring: I π 4 4 ( d d y i ) 64 Knekklast, Eulerteori P k π EI L k B, H: Bredde, høyde d: diameter r: radius t: tykkelse y,i: (indeks) ytre, indre Steiners setning: I ' I + b, b: avstand til ny akse.. Fra plane kraftsystemer Likevektsligning: f.eks. F eller M P Likevekt for et punkt: f.eks. F F x y Likevekt for legeme: det kan formuleres 3 lineært uavhengige likevektsligninger σλ y E 1 σ 1, y σ > σ λ < π y 4π E σ y σ, c π E, ellers λ der σ er flytespenning y L λ, i i I 3. Fasthetslære l Generelt: tøyning: ε, σ E ε l F V σ, τ Spenninger i tynne vegger: Sirkulærsylindrisk trykktank: pr pr Tangensialt: σ θ, aksialt: σ z t t Skjærspenning i rør med torsjon: τ T πrt p: Trykk T: Torsjonsmoment r: Radius t: Veggtykkelse x: Bjelkens lengdekoordinat q: Lastintensitet V: Skjærkraft M: Bøyemoment u: Nedbøyning E: Elastisitetsmodul σ: Normalspenning τ: Skjærspenning y: Bjelkens høydekoordinat N: Normalkraft : Tverrsnittsareal S : realmoment av betraktet delflate b: Tverrsnittstykkelse L: Lengde L K : Knekklengde

4 HØGSKOLEN I NRVIK, Formelvedlegg Mekanikk /ROM 4. Plateknekking c k : kritisk dempning Forsterkningsfaktor ved resonansfrekvensen 1 Q ζ (OBS, trykkfeil i kompendiet for denne formelen) Systemdempning for fritt opplagret kretskort 1 1 ζ f f 4 n n f n : den naturlige frekvensen av 1. orden Vibroakustisk respons Respons på tilfeldige svingninger, maksimalt forventet akselerasjon som er sannsynlig innenfor 3 standardavvik a 3, 8 f QW n W: spektraltetthet Resonans for bjelker (henvisning til bøyeformler) Bjelke nr 9, midtstilt punktlast: 6, 93 EIa f 1 3 π FL Bjelke nr. 1: f n Kn π EIa 4 ql Mode K n Node posisjon /L 1,4, 1, 61,7,,5 1, 3 11,,36,64 1, Bjelke nr. 6 1, 73 f π EIa 1 3 FL 5. Svinginger Generelle formler Maks. akselerasjon ved gitt frekvens f, sinussvingninger a 4π f : amplitude Dempningsforholdet c ζ c k c: Newtons dempningskoeff., Bjelke nr. 1 Kn f n π EIa 4 ql Mode K n Node posisjon /L 1 3,5,,,, ,7,,54,868 a: lokal akselerasjon. For øvrig: se bjelkeformlene

5 HØGSKOLEN I NRVIK, Formelvedlegg 3 Mekanikk /ROM

6 HØGSKOLEN I NRVIK, Formelvedlegg 4 Mekanikk /ROM

7 HØGSKOLEN I NRVIK, Formelvedlegg 5 Mekanikk /ROM L b

8 HØGSKOLEN I NRVIK, Vedlegg, side 1

9 HØGSKOLEN I NRVIK, Vedlegg, side

10 HØGSKOLEN I NRVIK, Vedlegg, side 3