اعتبارات التصميم الميكانيكي

التصميم الميكانيكي عملية حيوية مرتبطة بالواقع، فلا فائدة من التصميم ما لم يضع المصمم في اعتباراته العوامل التي تؤثر على التصميم، تلك العوامل كثيرة ومتنوعة وتختلف من تصميم لآخر ومن صناعة لأخرى وسنتعرض في هذا المقال لأهم هذه العوامل وكيفية الاستفادة منها والدمج بينها للوصول للتصميم الأمثل.

مدخل:

اعتبارات التصميم (Design considerations) هي الأمور التي يجب أن يضعها المصمم في اعتباره أثناء عملية التصميم بحيث يكون المنتج النهائي ملائم للغرض من التصميم، أي بحيث يؤدي التصميم وظيفته بكفاءة.

اعتبارات التصميم كثيرة ومتشعبة بنحو مذهل، وتختلف المدارس والأنظمة الصناعية والدول في توصيفها فما قد يعتبره المصمم في الصين أمر بسيط يمكن اهماله قد يعتبره مصمم آخر في الاتحاد الأوروبي أمر مهم يجب التعامل معه والعكس صحيح.

بالرغم من ذلك توجد مجموعة من القواعد والقواسم المشتركة لاعتبارات التصميم الميكانيكي يمكن إدراجها تحت ثلاثة أقسام رئيسية:

1. اعتبارات التحميل والوظيفة:(Loading and functionality considerations):

• تهتم بالوصول بالتصميم لأفضل صورة تستطيع التعامل مع الأحمال والاجهادات المختلفة دون حدوث كسر أو فشل للتصميم (Failure) وتجنب أشكال التصميم التي قد تعوق المنتج من أداء وظيفته بالشكل الأمثل.

2.اعتبارات خاصة بالتصنيع والتجميع:

• ليس كل تصميم يمكن تصنيعه لذلك لابد للمصمم أن يضع في اعتباره قبل أن يضيف أي جزأ في التصميم أن يكون علم بكيفية تصنيعه أو على الأقل يكون على درية بإمكانية تصنيع المنتج من عدمه (Manufacturability)

3.اعتبارات خاصة بالمستهلك:

• كما ذكرنا سابقاً أن التصميم عملية حيوية أي مرتبطة بالإنسان وأنشطة الحياة المختلفة فلابد للتصميم أن يكون مناسب لاحتياجات الإنسان لكي يستطيع استخدامه والاستفادة منه وأن يكون التصميم آمن وهذا ما نسميه (Ergonomics), وهو علم يمكن تعريفه على أنه العلم الذي يهتم بدراسة العلاقة بين الإنسان والآلة أو التصميم, كما سنتعرض في هذا الجزء لإمكانية تسويق المنتج وإيصاله للمستهلك(Marketability) وكذلك سعر المنتج و قابليته للمنافسة في السوق.

وفيما يلي سنتعرض لكل قسم من أقسام اعتبارات الصميم الميكانيكي بشيء من التفصيل…………….

اعتبارات التحميل والوظيفة:

• مقاومة الانهيار والكسر (strength):
• يتعرض أي تصميم ميكانيكي لمجموعة من الأحمال والاجهادات أثناء القيام بوظيفته لذلك لابد ان يكون على قدر من القوة والمتانة بحيث يستطيع تحمل هذه الاجهادات ولفهم الموضوع أكثر سنتطرق لبعض تعريفات علم خواص المواد.
• (Properties of materials) علم خواص المواد علم شاسع ومن أهم العلوم التي يجب على مهندس التصميم دراستها, على سبيل المثال لماذا يتم تصنيع قواعد ماكينات التشغيل كالمخارط من الحديد الزهر ( cast iron ) في الوقت الذي تُصنع فيه أدوات القطع كأقلام المخرطة من سبائك الصلب ( steel)؟

بدراستنا لخواص كل من الحديد الزهر والصلب سنجد أن الحديد الزهر يتحمل اجهادات الضغط وهذا ما تتعرض قواعد الماكينات لذلك كان المناسب استخدامه فيها، أما الصلب يتحمل إجهادات الشد ويتميز بالمرونة والقوة العالية لمقاوم الإجهادات لذلك كان من الأنسب استخدامه في أدوات القطع.

بعض المفاهيم الهامة من علم خواص المواد:

عند التأثير بقوة ما على مساحة معينة تتولد كمية فيزيائية نسميها في التصميم الميكانيكي الاجهاد( stress)  وحداتها تساوي وحدة القوة وهي نيوتن على وحدة المساحة وهي متر مربع فتكون وحدة الاجهاد في النظام الدولي (SI)  عبارة عن N/m^2 وهو ما يكافئ واحد باسكال (pa)

ينتج عن هذا الإجهاد تغير في أبعاد الجزء الذي قمنا بالتأثير عليه بالقوة F هذه التغير في البعد نسميه الانفعال (Strain).

توجد صور متنوعة من الإجهاد فمن الممكن أن يكون إجهاد ضغط او شد أو انحناء او لي أو قص.

منحنى الإجهاد والانفعال:

منحنى( الإجهاد-الانفعال  (بالإنجليزية: (Stress-Strain Curve) ‏هو منحني يوضح العلاقة بين الإجهاد والانفعال التي تظهرها المواد المختلفة. لكل مادة منحني خاص بها، ويتم إيجاد هذا المنحنى عن طريق إجراء اختبار شد أو اختبار ضغط لعينة من المادة وتسجيل مقدار التشوه فيها لفترات زمنية معينه. وتكشف هذه المنحنيات العديد من خصائص المواد بما في ذلك البيانات لتحديد معامل المرونة.

نلاحظ أنه البداية تكون العلاقة بين الإجهاد والانفعال خطية وفي هذه المرحلة تكون المادة مرنة (Elastic) أي أنه إذا قمنا بإزالة الحمل تسترد المادة أبعادها الأصلية أما بعد ذلك تبدأ المادة في الخضوع لتأثير الإجهاد بداية من الحد B كما في الصورة رقم 3 ويحدث بها تشكل دائم ولا تسترد أبعادها بعد إزالة الحمل.

نلاحظ مما سبق أنه توجد قيمة معينة للحمل إذا زاد عنها يحدث تغير دائم في أبعاد التصميم وهذا يحدث عند ما يسمى بنقطة الخضوع (Yield point) الموضحة في الصورة رقم 3 على منحنى الإجهاد والانفعال.

الهدف من الدارسة السابقة للإجهاد والانفعال هو تبيان مدى أهمية أن يضع المصمم في اعتباره ألا يصل التصميم الخاص به لمرحلة الخضوع وهذه من أهم اعتبارات التصميم الميكانيكي لأن وصول أي جزأ من أجزاء التصميم لمرحلة الخضوع وحدوث تشكل دائم به يعني فقدان التصميم القدرة على أداء وظيفته كما يجب، فعلى سبيل المثال حدوث تشكل دائم بقدار 5 مللي متر في فرش المخرطة قد يعني أن هذه المخرطة لم تعد ذات أي قيمة نظراً لعدم دقتها في تنفيذ الأبعاد المطلوبة منها.

وسنكمل باقي اعتبارات التحميل والوظيفة في المقال القادم بإذن الله.

مراجع:

1.Beer, F, Johnston, R, Dewolf, J, & Mazurek, D. (2009). Mechanics of materials. New York: McGraw-Hill companie

2.Textbook of Machine Design by R.S.KHURMI AND J.K.GUPTA.

3.BUDYNAS, R. G., NISBETT, J. K., & SHIGLEY, J. E. (2011). Shigley’s mechanical engineering design. New York, McGraw-Hill.