Instytut Podstaw Budowy Maszyn. specjalność KONSTRUKCJE CIENKOŚCIENNE

Transkrypt

1 Instytut Podstaw Budowy Maszyn specjalność KONSTRUKCJE CIENKOŚCIENNE opiekun specjalności: dr inż. Jarosław Mańkowski 1

2 Typowe konstrukcje cienkościenne 2

3 Konstrukcje cienkościenne wokół nas Przemysł energetyczny, chemiczny i ciepłowniczy silosy-zsypy-zbiorniki-14/ konstrukcje-stalowe-13/ Konstrukcji_Stalowych_i_Rurociagow._Hurtownia_Elektryczna_Megawat,Strzelce_Opolskie,firma.html wiatraki_napedza_gospodarke_miliardowe_zamowienia_czekaja.html 3

4 Konstrukcje cienkościenne wokół nas Konstrukcje związane z bezpieczeństwem użytkowników dróg Nowe_bariery_energochlonne_na_Trasie_Lazienkowskiej.html 4

5 Konstrukcje cienkościenne potencjał badawczy i wdrożeniowy 5

6 Konstrukcje cienkościenne potencjał badawczy i wdrożeniowy Struktury energochłonne 6

7 Konstrukcje cienkościenne potencjał badawczy i wdrożeniowy Pomiary Nowoczesne techniki wytwarzania skanowanie 3D, drukowanie 3D. 7

8 Konstrukcje cienkościenne potencjał badawczy i wdrożeniowy c.d. Nowoczesne materiały Połączenia Trwałość Łączenie różnych materiałów Struktury warstwowe (np. metal-kompozyt) Praca po utracie stateczności Zagadnienia związane z wojskowością : cienkościenne struktury obiektów niewykrywalnych, wibroizolacja układów napędowych; Sea_Shadow_stealth_craft.jpg P8BbCPtcE2rMM:&imgrefurl= =274&ei=uIudUsDvHIqN7QbX-YDwBQ&zoom=1&ved=1t:3588,r:60,s:0,i:270&iact=rc&page=3&tbnh=169&tbnw=288&start=54&ndsp=30&tx=127&ty=76 8

9 Główne cele specjalności z punktu widzenia rynkowego Stworzenie nowatorskiego profilu inżyniera: a) mechanika i wytrzymałość ukierunkowana na konstrukcje cienkościenne, b) projektowanie szeroko pojętych konstrukcji cienkościennych: cysterny, nadwozia pojazdów, zbiorniki, konstrukcje kratownicowe i inne, cienkościenne konstrukcje stosowane w energetyce, nowoczesne konstrukcje kompozytowe; c) zaawansowane techniki modelowania i wytwarzania, d) zaawansowane techniki analiz, e) wykorzystanie nowoczesnych systemów CAD, MES, itp. 9

10 KONSTRUKCJE CIENKOŚCIENNE program specjalności 10

11 Założenia do przedmiotów specjalnościowych Semestr VI: 3 przedmioty po 30 godz. wykład + 15 godz. laboratorium, Semestr VII: 3 przedmioty po 30 godz. wykład, Przedmioty semestr VI Podstawy projektowania konstrukcji cienkościennych Analiza sztywnościowo-wytrzymałościowa konstrukcji cienkościennych Mechanika elementów laminowanych Przedmioty semestr VII 30W 15L 30W 15L 30W 15L dr inż. Radosław Pakowski, dr inż. Bogumił Chiliński dr inż. Przemysław Siemiński dr inż. Jarosław Mańkowski prof. dr hab. inż. Włodzimierz Kurnik dr inż. Bogumił Chiliński dr inż. Maciej Parafiniak dr inż. Piotr Deuszkiewicz Numeryczne analizy struktur warstwowych 30W dr inż. Jarosław Mańkowski Modelowanie geometryczne konstrukcji cienkosciennych Ocena wytężenia wybranych elementów konstrukcji cienkościennych 30W 30W dr hab. inż. Piotr Skawiński dr inż. Przemysław Siemiński dr inż. Daniel Dębski dr inż. Maciej Parafiniak 11

12 Podstawy projektowania konstrukcji cienkościennych Wykład dr inż. Radosław Pakowski, dr inż. Bogumił Chiliński 1. Konstrukcje cienkościenne klasyfikacja oraz przykłady zastosowań. 2. Omówienie cech charakterystycznych i podstawowych problemów w projektowaniu. 3. Podstawy wytrzymałości konstrukcji cienkościennych. 4. Klasyfikacja połączeń stosowanych w konstrukcjach cienkościennych. 5. Metody wprowadzania obciążeń w konstrukcje cienkościenne metalowe. 6. Metody wprowadzania obciążeń w konstrukcje cienkościenne niemetalowe (laminaty, tworzywa sztuczne, inne). 7. Podstawowe problemy występujące w konstrukcjach wykonanych z różnych rodzajów materiałów (kombinacje: metal, laminat, tworzywo sztuczne itp.). 8. Charakterystyczne cechy pracy fragmentów konstrukcji cienkościennych przykłady badań wytrzymałości, stateczności i dynamiki (wstęp do laboratorium). 9. Zasady projektowania węzłów konstrukcyjnych w strukturach metalowych. 10. Zasady projektowania węzłów konstrukcyjnych w strukturach niemetalowych. 11. Wybrane problemy analizy połączeń stosowanych w konstrukcjach cienkościennych metalowych. 12. Wybrane problemy analizy połączeń stosowanych w konstrukcjach wykonanych z nowoczesnych materiałów. 13. Podsumowanie: konstrukcje skorupowe i półskorupowe wstęp do modelowania konstrukcji. Laboratorium dr inż. Przemysław Siemiński 1. Wprowadzenie do modelowanie konstrukcji cienkościennych z pomocą systemów 3D CAD. 2. Modelowanie geometrycznie skomplikowanych elementów cienkościennych. 3. Modelowanie węzłów struktur cienkościennych wykonanych z wykorzystaniem połączeń spawanych. 4. Modelowanie węzłów struktur cienkościennych wykonanych z wykorzystaniem połączeń śrubowych. 5. Opracowywanie dokumentacji wykonawczej 2D konstrukcji cienkościennych. 6. Opracowywanie dokumentacji złożeniowej 2D konstrukcji cienkościennych. 7. Struktury cienkościenne wykonywane technikami przyrostowymi. 12

13 Analiza sztywnościowo-wytrzymałościowa konstrukcji cienkościennych dr inż. Jarosław Mańkowski wykład (na sali komputerowej) 1. Integracja systemów CAD MES. Modele geometryczne dla MES. Wykład obejmuje omówienie zagadnień dotyczących właściwego przygotowania modeli powierzchniowych do dyskretyzacji. 2. Konstrukcje prętowe, belkowe. Wykład obejmuje szczegółowe omówienie zagadnień związanych z modelowaniem konstrukcji prętowych modelowanych z wykorzystaniem elementów prętowych oraz belkowych. Analizy konstrukcji, w których elementy konstrukcyjne przenoszą zarówno obciążenia normalne, styczne, jak i momenty gnące. Analiza wpływu ścinania: teoria Bernouliego i Timoshenko. Szczegółowe omówienie zagadnień analiz postaci, sił krytycznych i częstości drgań własnych. 3. Omówienie zagadnień analiz koncentracji naprężeń w modelach powłokowych. 4. Wprowadzenie do analiz nieliniowych. Koncentracja naprężeń po przekroczeniu granicy plastyczności materiału. Wykład obejmuje podstawowe zagadnienia związane z iteracyjnymi metodami analiz zagadnień nieliniowych. Jako przykład nieliniowość materiału, wieloliniowy model sprężysto plastyczny. 5. Modele powłokowe - analizy szczegółowe. Wykład obejmuje podstawowe zagadnienia dotyczące modelowania konstrukcji cienkościennych za pomocą elementów powłokowych. Sposoby wprowadzania obciążeń. Definiowanie warunków brzegowych. Problemy związane z konstrukcjami o złożonych geometrycznie kształtach, sposoby łączenia siatek. Ocena wytężenia konstrukcji naprężenia normalne, styczne oraz zredukowane. Koncentracje naprężeń wynikające z utwierdzenia modelu oraz łączenia siatek MES. 6. Modele powłokowe - sposoby realizacji połączeń. Uproszczone i dokładne analizy połączeń (spawane, śrubowe, nitowe) w metalowych strukturach cienkościennych. 7. Modelowanie zadań uwzględnieniem wzajemne oddziaływanie części (zadania kontaktowe), w zakresie modeli powłokowych oraz belkowych. 8. Szczegółowe analizy struktur cienkościennych na przykładach konstrukcji kratownicowych i dźwigarów cienkościennych z wykorzystaniem pakietu Abaqus. laboratorium 1. Integracja systemów CAD MES. Modele geometryczne dla MES. 2. Analiza kratownicy: modele prętowe, belkowe, siły krytyczne i częstości drgań własnych. 3. Koncentracje naprężeń - szczególne przypadki. 4. Analizy zagadnień nieliniowych - wstęp. 5. Analizy konstrukcji cienkościennych cz Analizy konstrukcji cienkościennych cz Analizy konstrukcji cienkościennych cz Analizy konstrukcji cienkościennych cz Analizy konstrukcji cienkościennych cz Uproszczone sposoby modelowanie połączeń (spawane, śrubowe, nitowe, sworzniowe). 11. Zagadnienie kontaktowe - uwzględnienie nieliniowej charakterystyki materiału. 12. Analiza dźwigara cienkościennego. 13

14 Mechanika elementów laminowanych prof. dr hab. inż. Włodzimierz Kurnik, prof. dr hab. inż.andrzej Tylikowski prof. dr hab. inż., dr inż. Daniel Dębski, dr inż. Piotr Deuszkiewicz Wykład prof. dr hab. inż. Włodzimierz Kurnik, dr inż. Bogumił Chiliński 1. Wiadomości wstępne: rodzaje, właściwości i zastosowania kompozytów, laminaty, materiały anizotropowe, ortotropia. 2. Właściwości warstwy ortotropowej: stan naprężenia, stan odkształcenia, równania konstytutywne. 3. Właściwości wytrzymałościowe laminatu: założenia teorii laminatów cienkich, stan przemieszczeń, związki geometryczne, naprężenia i siły wewnętrzne, uproszczenia macierzy sztywności. 4. Wytężenie laminatu: wytężenie materiału izotropowego, wytężenie warstwy ortotropowej, hipotezy wytężeniowe dla warstwy ortotropowej w płaskim stanie naprężenia. 5. Równania równowagi płyt laminowanych: przemieszczenia, warunki brzegowe. 6. Jednowymiarowe zagadnienia płyt laminowanych: zginanie walcowe płyty, belki laminowane. 7. Obliczenia wytrzymałościowe laminowanych płyt prostokątnych: przemieszczenia, wyboczenie, drgania swobodne. Laboratorium dr inż. Maciej Parafiniak, dr inż. Piotr Deuszkiewicz 1. Statyczna próba rozciągania pręta cienkościennego - porównanie charakterystyk dla elementów wykonanych z metalu i laminatu 2. Wyboczenie prętów cienkościennych - porównanie charakterystyk dla elementów wykonanych z metalu i laminatu. 3. Praca konstrukcji półskorupowych - praca w stanie pokrytycznym. 4. Badanie częstotliwości drgań własnych jednostronnie utwierdzonej cienkościennej belki wykonanej z laminatu. 5. Badanie częstotliwości drgań własnych cienkościennej belki wykonanej z laminatu zamocowanej przegubowo, jako belka z odciągiem. 6. Porównanie stanów krytycznych wału stalowego i wału wykonanego z kompozytu węglowego. 14

15 Numeryczne analizy struktur warstwowych dr inż. Jarosław Mańkowski wykład (na sali komputerowej) 1. Wstęp. Wiadomości podstawowe, przegląd oprogramowania do analizy numerycznych struktur warstwowych. 2. Metoda elementów skończonych w analizie laminatów. 3. Płaski stan naprężenia - wykład obejmuje omówienie problemów związanych z modelowaniem MES właściwości pojedynczej warstwy ortotropowej oraz struktury złożonej z wielu warstw. 4. Proste przypadki analizy płyt laminowanych - wykład obejmuje wykorzystanie MES do analiz płyt i belek laminowanych pracujących w prostym stanie obciążenia. 3. Analiza sił krytycznych i częstości drgań własnych za pomocą MES. 4. Koncentracja naprężenia. Wykład obejmuje zagadnienia związane z analizą stanu naprężenia występującego wokół koncentratora, w płaskim stanie naprężenia. 5. Analizy numeryczne prostych struktur laminowanych pracujących w złożonym stanie obciążenia. Wykład obejmuje podstawowe zagadnienia dotyczące modelowania tego typu konstrukcji. Sposoby wprowadzania obciążeń. Definiowanie warunków brzegowych. 6. Modelowanie węzłów konstrukcyjnych. Wykład obejmuje problemy związane z modelowaniem struktur warstwowych o złożonych geometrycznie kształtach. 7. Wprowadzanie obciążeń i warunków brzegowych do struktur laminowanych - problemy modelowania i analiz MES połączeń metal-kompozyt. 15

16 Modelowanie geometryczne konstrukcji cienkościennych dr hab. inż. Piotr Skawiński, dr inż. Przemysław Siemiński wykład (na sali komputerowej) 1. Metody modelowania geometrii przestrzennej; podstawy zapisu gometrycznego krzywych i powierzchni (NURBS, B-Spline, Baziera); sposoby modelowania i wyświetlania powierzchni (isokrzywe, pathes, cieniowanie, przebudowa wielomianów). 2. Przegląd metod modelowania powierzchniowego w parametrycznych systechach 3D CAD (SolidWorks). 3. Metody łączenia płatów powierzchni: G0-G4; analizy krzywizny powierzchni, analiza gładkości (tzw. zebra). 4. Modelowanie przestrzennych siatek cienkościennych (formatu STL) dla technik przyrostowych. 5. Przygotowanie elementów formujących dla wykonywania konstrukcj cienkościennych z tworzyw sztucznych - laminowania, termoformowania, tłoczenia. 6. Gięcie krawędziowe blach - przegląd maszyn i standardowych narzędzi segmentowych. 7. Metodyka modelowania arkuszy blach oraz wykonywania ich rozwinięć w parametrycznych systemach 3D CAD. 16

17 Ocena wytężenia wybranych elementów konstrukcji cienkościennych dr inż. Daniel Dębski, dr inż. Maciej Parafiniak wykład (część na sali komputerowej, część w laboratorium wytrzymałości) 1. Hipotezy i kryteria wytężenia konstrukcji cienkościennych z punktu widzenia statyki. 2. Hipotezy i kryteria wytężenia konstrukcji cienkościennych z punktu widzenia wytrzymałości zmęczeniowej. 3. Elementy nośne struktur cienkościennych w aspekcie wytrzymałości konstrukcji: - podział i rola jako elementu cienkościennej struktury nośnej, - sposób pracy, przenoszenie obciążeń, ocena wytężenia, przykłady obliczeń. 4. Węzły konstrukcyjne struktur cienkościennych cienkościennych w aspekcie wytrzymałości konstrukcji: - podział i rola węzłów, - wprowadzanie sił skupionych w konstrukcje cienkościenne, - węzły łączące zespoły główne struktur cienkościennych z innymi typami struktur nośnych. 5. Praca konstrukcji cienkościennej po utracie stateczności (powyżej obciążeń krytycznych) zagadnienia podstawowe. 6. Elementy analiz zmęczeniowych konstrukcji cienkościennych. 7. Elementy mechaniki pękania konstrukcji cienkościennych w aspekcie bezpieczeństwa konstrukcji. 8. Badania konstrukcji cienkościennych, w tym lotniczych i innych. 9. Alternatywne rozwiązania konstrukcji lekkich konstrukcje geodetyczne, geodetyczno-powłokowe i inne. 17

18 Na zachętę przykład nowoczesnej konstrukcji cienkościennej projekt wykonany przez inż. Bartłomieja Błaszczaka (2012 r.) Promotor: dr inż. Jarosław Mańkowski 18

19 specjalność KONSTRUKCJE CIENKOŚCIENNE dr inż. Jarosław Mańkowski pok. 2.7 A jaroslaw.mankowski@simr.pw.edu.pl 19