Formułowanie relacji konstytutywnych SMA z wykorzystaniem struktur reologicznych

Podobne dokumenty
Materiały pomocnicze do wykładów z wytrzymałości materiałów 1 i 2 (299 stron)

PLASTYCZNOŚĆ W UJĘCIU KOMPUTEROWYM

Drgania poprzeczne belki numeryczna analiza modalna za pomocą Metody Elementów Skończonych dr inż. Piotr Lichota mgr inż.

Podstawowe przypadki (stany) obciążenia elementów : 1. Rozciąganie lub ściskanie 2. Zginanie 3. Skręcanie 4. Ścinanie

Projektowanie elementów z tworzyw sztucznych

Właściwości reologiczne

MODELOWANIE NUMERYCZNE PEŁZANIA POŁĄCZEŃ KLEJOWYCH W KONSTRUKCJACH METALOWYCH

DRGANIA ELEMENTÓW KONSTRUKCJI

MES w zagadnieniach sprężysto-plastycznych

9. PODSTAWY TEORII PLASTYCZNOŚCI

ROZWIĄZANIE PROBLEMU NIELINIOWEGO

Karta (sylabus) modułu/przedmiotu Mechatronika Studia pierwszego stopnia. Wytrzymałość materiałów Rodzaj przedmiotu: obowiązkowy Kod przedmiotu:

Metoda elementów skończonych

Modele materiałów

Fizyczne właściwości materiałów rolniczych

SYSTEMY MES W MECHANICE

Wykład 8: Lepko-sprężyste odkształcenia ciał

Metoda Różnic Skończonych (MRS)

IDENTYFIKACJA DOŚWIADCZALNA PARAMETRÓW STANDARDOWEGO MODELU REOLOGICZNEGO TAŚMY PRZENOŚNIKOWEJ

Karta (sylabus) modułu/przedmiotu Mechatronika Studia pierwszego stopnia. Wytrzymałość materiałów Rodzaj przedmiotu: obowiązkowy Kod przedmiotu:

Spis treści. Wstęp Część I STATYKA

Wyboczenie ściskanego pręta

Podstawowe pojęcia wytrzymałości materiałów. Statyczna próba rozciągania metali. Warunek nośności i użytkowania. Założenia

(R) przy obciążaniu (etap I) Wyznaczanie przemieszczenia kątowego V 2

PODSTAWY MECHANIKI OŚRODKÓW CIĄGŁYCH

MODELOWANIE ZA POMOCĄ MES Analiza statyczna ustrojów powierzchniowych

PEŁZANIE WYBRANYCH ELEMENTÓW KONSTRUKCYJNYCH

Nauka o Materiałach. Wykład VIII. Odkształcenie materiałów właściwości sprężyste. Jerzy Lis

MECHANIKA TECHNICZNA

modele ciał doskonałych

WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE SPRĘŻYSTOŚĆ MATERIAŁ. Właściwości materiałów. Właściwości materiałów

8. PODSTAWY ANALIZY NIELINIOWEJ

Al.Politechniki 6, Łódź, Poland, Tel/Fax (48) (42) Mechanika Budowli. Inżynieria Środowiska, sem. III

Spis treści Rozdział I. Membrany izotropowe Rozdział II. Swobodne skręcanie izotropowych prętów pryzmatycznych oraz analogia membranowa

Recenzja rozprawy doktorskiej mgra inż. Roberta Szymczyka. Analiza numeryczna zjawisk hartowania stali narzędziowych do pracy na gorąco

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 11: Moduł Younga

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

POMIARY WIELKOŚCI NIEELEKTRYCZNYCH

Dr inż. Janusz Dębiński

[ P ] T PODSTAWY I ZASTOSOWANIA INŻYNIERSKIE MES. [ u v u v u v ] T. wykład 4. Element trójkątny płaski stan (naprężenia lub odkształcenia)

Procedura modelowania matematycznego

Naprężenia, przemieszczenia, odkształcenia Właściwości materiałów. dr hab. inż. Tadeusz Chyży Katedra Mechaniki Konstrukcji

MODELOWANIE NUMERYCZNE DYNAMICZNEGO ZACHOWANIA SIĘ CIENKOŚCIENNEGO POCHŁANIACZA ENERGII

STRESZCZENIE PRACY MAGISTERSKIEJ

Metoda elementów skończonych w mechanice konstrukcji / Gustaw Rakowski, Zbigniew Kacprzyk. wyd. 3 popr. Warszawa, cop

Przykład 1.8. Wyznaczanie obciąŝenia granicznego dla układu prętowego metodą kinematyczną i statyczną

LABORATORIUM ELEKTROAKUSTYKI. ĆWICZENIE NR 1 Drgania układów mechanicznych

7. DRGANIA ELEMENTÓW KONSTRUKCJI WYKONANYCH Z MATERIAŁÓW SPRĘŻYSTO-LEPKO-PLASTYCZNYCH Wstęp Całkowanie relacji konstytutywnych

AiR_WM_3/11 Wytrzymałość Materiałów Strength of Materials

Inżynierskie metody numeryczne II. Konsultacje: wtorek 8-9:30. Wykład

METODY KOMPUTEROWE W MECHANICE

Ćwiczenie 11. Moduł Younga

MECHANIKA II. Dynamika ruchu obrotowego bryły sztywnej

DYNAMIKA KONSTRUKCJI BUDOWLANYCH

FLAC Fast Lagrangian Analysis of Continua. Marek Cała Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

SYLABUS DOTYCZY CYKLU KSZTAŁCENIA 2016/ /20 (skrajne daty)

Politechnika Białostocka

POLITECHNIKA ŁÓDZKA INSTYTUT OBRABIAREK I TECHNOLOGII BUDOWY MASZYN. Ćwiczenie D - 4. Zastosowanie teoretycznej analizy modalnej w dynamice maszyn

dr hab. inż. Józef Haponiuk Katedra Technologii Polimerów Wydział Chemiczny PG

Temat 3 (2 godziny) : Wyznaczanie umownej granicy sprężystości R 0,05, umownej granicy plastyczności R 0,2 oraz modułu sprężystości podłużnej E

POMIARY WIELKOŚCI NIEELEKTRYCZNYCH

1. PODSTAWY TEORETYCZNE

Rys 1 Schemat modelu masa- sprężyna- tłumik

CIPREMONT. Izolacja drgań i dźwięków materiałowych w konstrukcjach budowlanych oraz konstrukcjach wsporczych maszyn dla naprężeń do 4 N/mm 2

Spis treści Przedmowa

Mechanika i wytrzymałość materiałów BILET No 1

WYKAZ TEMATÓW Z LABORATORIUM DRGAŃ MECHANICZNYCH dla studentów semestru IV WM

pt.: KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE PROCESÓW OBRÓBKI PLASTYCZNEJ

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

2.2 Wyznaczanie modułu Younga na podstawie ścisłej próby rozciągania

Analiza dynamiczna fundamentu blokowego obciążonego wymuszeniem harmonicznym

Materiały magnetyczne SMART : budowa, wytwarzanie, badanie właściwości, zastosowanie / Jerzy Kaleta. Wrocław, Spis treści

Rys Przykładowe krzywe naprężenia w funkcji odkształcenia dla a) metali b) polimerów.

Spis treści. Przedmowa 11

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Analiza stanu przemieszczenia oraz wymiarowanie grupy pali

6. ZWIĄZKI FIZYCZNE Wstęp

WSTĘP DO TEORII PLASTYCZNOŚCI

Mechanika i wytrzymałość materiałów instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego

TEORIA DRGAŃ Program wykładu 2016

Nieliniowości fizyczne Część 2 : Nieliniowość sprężysta. Teoria nośności granicznej

FLAC Fast Lagrangian Analysis of Continua

PODSTAWY STATYKI BUDOWLI POJĘCIA PODSTAWOWE

BADANIE PODŁUŻNYCH FAL DŹWIĘKOWYCH W PRĘTACH

1. Obciążenie statyczne

2. Pręt skręcany o przekroju kołowym

8. WIADOMOŚCI WSTĘPNE

Teoria maszyn mechanizmów

1. Pojazdy i maszyny robocze 2. Metody komputerowe w projektowaniu maszyn 3. Inżynieria produkcji Jednostka prowadząca

Statyczna próba rozciągania laminatów GFRP

9.0. Wspornik podtrzymujący schody górne płytowe

WYZNACZANIE MODUŁU SPRĘŻYSTOŚCI POSTACIOWEJ G PRZEZ POMIAR KĄTA SKRĘCENIA

Podstawy mechaniki komputerowej

Połączenie wciskowe do naprawy uszkodzonego gwintu wewnętrznego w elementach silnika

Wyznaczanie współczynnika sprężystości sprężyn i ich układów

Równa Równ n a i n e i ru r ch u u ch u po tor t ze (równanie drogi) Prędkoś ędkoś w ru r ch u u ch pros pr t os ol t i ol n i io i wym

STATYCZNA PRÓBA SKRĘCANIA

STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA

Treści programowe przedmiotu

Transkrypt:

Formułowanie relacji konstytutywnych SMA z wykorzystaniem struktur reologicznych Artur Zbiciak Wydział Inżynierii Lądowej Instytut Dróg i Mostów Warszawa, 0.10.017 r.

Cel i zakres referatu Prezentacja opisu nieliniowych elementów reologicznych przy zastosowaniu pojęć mechaniki niegładkiej i analizy wypukłej. Analiza oryginalnych struktur reologicznych odwzorowujących konstytutywne cechy materiałów SMA. Imementacja numeryczna modeli materiałów z pamięcią kształtu w środowisku systemu MES ABAQUS na podstawie autorskich algorytmów zaprogramowanych w ramach procedur użytkownika. Przedstawienie możliwości wykorzystania sformułowanych związków fizycznych SMA w wybranych zagadnieniach dynamiki konstrukcji.

Struktury reologiczne Reologia dział mechaniki zajmujący się opisem zjawisk akumulowania i dyssypacji energii w ośrodkach ciągłych. Element reologiczny symbol graficzny (sprężyna, tłumik, suwak ) reprezentujący określone zjawisko energetyczne. Struktura reologiczna złożony schemat, zbudowany z podstawowych elementów, odzwierciedlający zjawiska fizyczne sprężystości i dyssypacji zachodzące w materiale. Rys. Przykładowa, liniowa struktura reologiczna

Materiał liniowo-sprężysty (Hooke a) * 1 ε : ε Cε σ : sup σ ε ε εe Rys. Symbol graficzny i jednowymiarowa relacja konstytutywna materiału Hooke a 1 σ : σ C σ * 1 ε σ Cε ε ε σ * 1 C σ 1 C K I I G 1 I I 3 σ

Stany kuliste i dewiatorowe p 3K a s G e p : a : 1 3 1 3 tr tr σi εi s : σ e : ε 1 3 1 3 tr tr σi εi

Materiał lepki (ciecz Newtona) σ Aε 1 A vol I I dev 1 I I 3 Rys. Symbol graficzny i jednowymiarowa relacja konstytutywna cieczy Newtona 1 ε : ε Aε 1 σ : σ A σ * 1

Model sztywno-idealnie astyczny (Saint-Venanta) σ σ ε σ ε σ ε ε : σ~ ε sup σ~ ε Rys. Symbol graficzny i jednowymiarowa relacja konstytutywna materiału Saint- Venanta σ σ 0 gdy σ σ : gdy σ σ ε ε σ

σ ε σ ε σ ε σ N V N σ : ε : ε σ σ 0 σ σ : σs: F 0 σ σ ε σ ε σ F σ ε F σ σ 0, 0, F 0

Model sztywno-idealnie sprężysty (Hencky ego) σ σ ε σ ε σ ε ε σ σ Rys. Symbol graficzny i jednowymiarowa relacja konstytutywna materiału Hencky ego F σ ε F σ σ 0, 0, F 0

Model materiału z lockingiem ε loc σ ε σ ε ε loc ε σ loc ε loc σ Rys. Symbol graficzny i jednowymiarowa relacja konstytutywna materiału z lockingiem

Model materiału Kesa σ kp ε kp σ ε σ ε σ ε F ε kp σfkp σ, ε σ ε F σ ε, 0, 0,, 0 kp kp kp kp Rys. Pętle histerezy materiału Kesa (a) i Saint-Venanta (b)

Zestawienie elementów nieliniowych Model Saint-Venanta Model Hencky-ego Materiał z lockingiem σ ε σ σ~ ε σ~ σ ε σ σ~ ε σ~ ε loc σ ε σ ~ ε ~ ε loc

Następstwo różniczkowe inkluzji 1 ε C σ ε ε σ N σ 1 ε C σ ε c D c σd t, ε N σ σ Pochodna kontyngentowa odwzorowania wielowartościowego: D c t, σ : σ : lim inf h0 dist σ, t h h σ 0

Jawna postać relacji konstytutywnej F HMH 1 σ, : s k 1 t s e d t 0 e s G e e 0 gdy s k 1 s gdy s k 1 k Gs e G k 1 Model bez wzmocnienia: związki Prandtla-Reussa e s G e e 0 gdy s k se s gdy s k k

Zagadnienie początkowo-brzegowe u d iv σ f x, t 0, t k ε 1 grad u grad u T x, t 0, t k σ Cε ε i ε f σ, ε, ε i i i i x, t 0, t k i 1,,, n 1 u u~ σ u n q u~, u u~, ε i 0 x x x u,, t 0, t 0, t 0, t k t k

Imementacja MES program ABAQUS Całkowanie równań ruchu (MRC albo metoda Newmarka) u t t Związki geometryczne ε t t VUMAT albo UMAT Całkowanie relacji konstytutywnych σ t t

Charakterystyka materiałów SMA Zdolność do przenoszenia (utrzymywania) stałej wartości naprężeń Brak trwałych odkształceń po odciążeniu Dyssypacja (rozpraszanie) energii Rys. Pętle histerezy prętów SMA (nitinol) w stałej temraturze (Lammering, Schmidt, 001).

Schematy ideowe zastosowań SMA G. Song, N. Ma, H.-N. Li (006)

Ochrona obiektów zabytkowych Seismic retrofit of the bell tower of the church of San Giorgio in Trignano (DesRoches and Smith, 00 )

Reologiczny model SMA Rys. Schematyczne wykresy izotermicznego odciążania próbki SMA a) niełna przemiana austenitu w martenzyt; b) łna przemiana austenitu w martenzyt.

Podstawowa struktura reologiczna SMA gr gr Rys. Wynik rozciągania modelu jednowymiarowej próbki ze stopu SMA

Wpływ temratury Rys. Wykresy obciążania próbki ze stopu SMA w temraturze T 1 i T https://www.youtube.com/watch?v=c01pam9gtma

Relacje konstytutywne podstawowego modelu s s G e e o e o s s k s k 0,, 0 e o s s k s k 0,, 0 G o f SMA o o,,

Jawna postać związków fizycznych f SMA e, ee, o 0 gdy eo 0 G e k k 0 gdy eo 0 s k ee e gdy e o 0 G e k k e s gdy eo 0 s k k s G e eo e e s k s e s s 1 1 k G o k k e k e o e o o o 1

Model SMA z lockingiem s s s loc G e e o s 1 1 eo s, 0; s k, s k 0 e o loc s loc e, o, 0, loc 0, 1 1 s e o k,, loc 1 1 s e o k 0 0

Przypadek szczególny w loc o o G e e k o o sw k o 0

Model SMA z pętlami wewnętrznymi

Ciało z dwufazową astycznością zmodyfikowany model Kesa T k t t p p p

f t f t f t t k0 : k t k, t k1 ab, t 1, gdy t a, b 0, gdy t a, b sin t sin t t sin t 1 0, k1 k t 1 1 k, k

Struktura reologiczna SMA z pętlami wewnętrznymi T k t t p p p

przemieszczenie [m] naprężenie [Pa] Przykładowy test numeryczny 8,00E+08 6,00E+08 4,00E+08 0,01,00E+08 0,005 0,00E+00 0 -,00E+08-4,00E+08-0,005-6,00E+08-0,01 0 0,001 0,00 0,003 0,004 0,005 czas [s] -8,00E+08-0,1-0,08-0,06-0,04-0,0 0 0,0 0,04 0,06 0,08 0,1 odkształcenie [1]

Struktury reologiczne SMA z lepkością

Model komputerowy mostu podwieszonego z tłumikami SMA

Szczegóły połączeń i widok modelu MES

Identyfikacja parametrów materiałowych cięgien SMA

Przyspieszenie [g] 0,5 0,4 0,3 0, 0,1 0-0,1-0, -0,3-0,4-0,5 0 1 3 4 5 6 7 8 9 10 Czas [s] Rys. Sygnał wymuszenia kinematycznego przyjęty do analizy. Rys. Pierwsze sześć postaci drgań własnych i odpowiadające im częstotliwości mostu porównawczego.

Symulacja drgań mostu

Wyniki obliczeń komputerowych Rys. Pętla histerezy w cięgnach SMA Rys. Wykresy przemieszczeń pionowych przęsła

Redukcja sił wewnętrznych w podstawie pylonu Rys. Momenty zginające Rys. Siły poprzeczne

Podsumowanie Zaproponowano oryginalne struktury reologiczne odwzorowujące konstytutywne cechy SMA, zawierające nieklasyczne elementy opisywane za pomocą nierówności wariacyjnych. Relacje konstytutywne SMA formułowano w formie jawnych równań różniczkowych zwyczajnych. Przedstawiono metodykę rozwiązywania zagadnień początkowo-brzegowych przy zastosowaniu systemu MES oraz autorskich procedur materiałowych. Tematyka dalszych badań może obejmować zagadnienia identyfikacji nowoczesnych materiałów konstrukcyjnych za pomocą zaproponowanych struktur reologicznych. Opracowana metodyka może być wdrożona do analizy konstrukcji budowlanych wyposażonych w dyssypatory energii.

Dziękuję za uwagę