TRANSCOMP XIV INTERNATIONAL CONFERENCE COMPUTER SYSTEMS AIDED SCIENCE, INDUSTRY AND TRANSPORT

Podobne dokumenty
Materiały do laboratorium Przygotowanie Nowego Wyrobu dotyczące metody elementów skończonych (MES) Opracowała: dr inŝ.

Wytrzymałość Materiałów

Politechnika Poznańska. Zakład Mechaniki Technicznej

Pytania przygotowujące do egzaminu z Wytrzymałości Materiałów sem. I studia niestacjonarne, rok ak. 2015/16

Rys.59. Przekrój poziomy ściany

Z-LOG-0133 Wytrzymałość materiałów Strength of materials

Pytania przygotowujące do egzaminu z Wytrzymałości Materiałów sem. I studia niestacjonarne, rok ak. 2014/15

OBLICZENIA STATYCZNE konstrukcji wiaty handlowej

Wytrzymałość Materiałów I studia zaoczne inŝynierskie I stopnia kierunek studiów Budownictwo, sem. III materiały pomocnicze do ćwiczeń

Rys. 29. Schemat obliczeniowy płyty biegowej i spoczników

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

Wytrzymałość materiałów Strength of materials

Mechanika i wytrzymałość materiałów BILET No 1

Z-LOGN Wytrzymałość materiałów Strength of materials

STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA

SYMULACJA TŁOCZENIA ZAKRYWEK KORONKOWYCH SIMULATION OF CROWN CLOSURES FORMING

OBLICZENIA STATYCZNO WYTRZYMAŁOŚCIOWE MOSTU NAD RZEKĄ ORLA 1. ZałoŜenia obliczeniowe

Modele materiałów

KOMPUTEROWE MODELOWANIE I OBLICZENIA WYTRZYMAŁOŚCIOWE ZBIORNIKÓW NA GAZ PŁYNNY LPG

BADANIA OSIOWEGO ROZCIĄGANIA PRĘTÓW Z WYBRANYCH GATUNKÓW STALI ZBROJENIOWYCH

Katedra Inżynierii Materiałów Budowlanych

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

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

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

Wytrzymałość materiałów Strength of materials

Wytrzymałość materiałów. Budowa i eksploatacja maszyn I stopień (I stopień / II stopień) Ogólnoakademicki (ogólno akademicki / praktyczny)

Wytrzymałość materiałów. Wzornictwo przemysłowe I stopień (I stopień / II stopień) ogólno akademicki (ogólno akademicki / praktyczny)

Metoda Elementów Skończonych - Laboratorium

ANALIZA BELKI DREWNIANEJ W POŻARZE

WYMAGANIA EDUKACYJNE Z PRZEDMIOTU: KONSTRUKCJE BUDOWLANE klasa III Podstawa opracowania: PROGRAM NAUCZANIA DLA ZAWODU TECHNIK BUDOWNICTWA

AiR_WM_3/11 Wytrzymałość Materiałów Strength of Materials

Wyboczenie ściskanego pręta

Politechnika Poznańska Metoda elementów skończonych. Projekt

Karta (sylabus) modułu/przedmiotu MECHANIKA I BUDOWA MASZYN Studia pierwszego stopnia

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

TRANSCOMP XIV INTERNATIONAL CONFERENCE COMPUTER SYSTEMS AIDED SCIENCE, INDUSTRY AND TRANSPORT

Karta (sylabus) modułu/przedmiotu MECHANIKA I BUDOWA MASZYN Studia pierwszego stopnia

Wytrzymałość Materiałów

Liczba godzin Liczba tygodni w tygodniu w semestrze

Stan odkształcenia i jego parametry (1)

Karta (sylabus) przedmiotu Mechanika i Budowa Maszyn Studia I stopnia o profilu: A P

Wyznaczanie modułu Younga metodą strzałki ugięcia

Wytrzymałość Konstrukcji I - MEiL część II egzaminu. 1. Omówić wykresy rozciągania typowych materiałów. Podać charakterystyczne punkty wykresów.

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

WYDZIAŁ BUDOWY MASZYN I ZARZĄDZANIA POLITECHNIKA POZNAŃSKA. Laboratorium MES projekt

MODELOWANIE POŁĄCZEŃ TYPU SWORZEŃ OTWÓR ZA POMOCĄ MES BEZ UŻYCIA ANALIZY KONTAKTOWEJ

700 [kg/m 3 ] * 0,012 [m] = 8,4. Suma (g): 0,138 Ze względu na ciężar wykończenia obciążenie stałe powiększono o 1%:

Optymalizacja konstrukcji wymiennika ciepła

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

Badania symulacyjne wytrzymałości płyty wewnętrznej przejazdu kolejowego

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Politechnika Białostocka

Przykłady obliczeń belek i słupów złożonych z zastosowaniem łączników mechanicznych wg PN-EN-1995

Modelowanie Wspomagające Projektowanie Maszyn

ANALIA STATYCZNA UP ZA POMOCĄ MES Przykłady

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH. Doświadczalne sprawdzenie zasady superpozycji

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

Ć w i c z e n i e K 4

I. Temat ćwiczenia: Definiowanie zagadnienia fizycznie nieliniowego omówienie modułu Property

ĆWICZENIE 1 STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA METALI - UPROSZCZONA. 1. Protokół próby rozciągania Rodzaj badanego materiału. 1.2.

ĆWICZENIE 15 WYZNACZANIE (K IC )

Rodzaje obciążeń, odkształceń i naprężeń

Defi f nicja n aprę r żeń

Osiadanie kołowego fundamentu zbiornika

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 3(89)/2012

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

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Załącznik nr 3. Obliczenia konstrukcyjne

MECHANIKA PRĘTÓW CIENKOŚCIENNYCH

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Rys. 1. Elementy zginane. KONSTRUKCJE BUDOWLANE PROJEKTOWANIE BELEK DREWNIANYCH BA-DI s.1 WIADOMOŚCI OGÓLNE

Wprowadzenie do WK1 Stan naprężenia

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Symulacja Analiza_stopa_plast

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Symulacja Analiza_moc_kosz_to w

ĆWICZENIE Nr 1. Laboratorium CAD/MES. Przedmiot: Modelowanie właściwości materiałów. Opracował: dr inż. Hubert Dębski

DWUTEOWA BELKA STALOWA W POŻARZE - ANALIZA PRZESTRZENNA PROGRAMAMI FDS ORAZ ANSYS

KONSTRUKCJE DREWNIANE I MUROWE

Metoda Elementów Skończonych

Laboratorium Wytrzymałości Materiałów

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

wykombinuj most 2008

Lista węzłów Nr węzła X [m] Y [m]

Materiały dydaktyczne. Semestr IV. Laboratorium

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

METODA ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH

Metoda elementów skończonych

Wykresy momentów gnących: belki i proste ramy płaskie Praca domowa

ANALIZA NUMERYCZNA ZMIANY GRUBOŚCI BLACHY WYTŁOCZKI PODCZAS PROCESU TŁOCZENIA

Mechanika i wytrzymałość materiałów instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego

STATYCZNA PRÓBA SKRĘCANIA

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH Z WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW

Budowa. drewna. Gatunki drewna. Wilgotność drewna w przekroju. Pozyskiwanie drewna budowlanego - sortyment tarcicy. Budowa drewna iglastego

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Oddziaływanie membranowe w projektowaniu na warunki pożarowe płyt zespolonych z pełnymi i ażurowymi belkami stalowymi Waloryzacja

Politechnika Białostocka

MATERIAŁOZNAWSTWO vs WYTRZYMAŁOŚĆ MATERIAŁÓW

Symulacja Analiza_wytrz_os_kol o_prz

Transkrypt:

TRANSCOMP XIV INTRNATIONAL CONFRNC COMPUTR SYSTMS AIDD SCINC, INDUSTRY AND TRANSPORT Jan LACHOWSKI mechanika techniczna, wytrzymałość materiałów, metoda elementów skończonych, informatyka stosowana WYKORZYSTANI MODLOWANIA KOMPUTROWGO W RALIZACJI ZAJĘĆ DYDAKTYCZNYCH Z MCHANIKI W pracy omówiono i przedstawiono wyniki symulacji komputerowych dla wybranych układów mechanicznych analizowanych na zajęciach dydaktycznych. Wyniki zostały uzyskane metodą elementów skończonych z wykorzystaniem systemu programowania ABAQUS. System Abaqus jest wykorzystywany na Wydziale Zarządzania i Modelowania Komputerowego na kierunku Zarządzanie i InŜynierii Produkcji przy wspomaganiu zajęć dydaktycznych z mechaniki technicznej, wytrzymałości materiałów i w realizacji prac dyplomowych. Zaprezentowano wyniki obliczeń dla problemów statycznych i dynamicznych. Zagadnienia dydaktyczne były tak zaprojektowane, aby wystapiła korelacja z innymi przedmiotami takimi jak: mechanika ogólna, fizyka, materiałoznawstwo i informatyka. TH US OF COMPUTR MODLLING IN TACHING OF MCHANICS The results of computer simulations of selected mechanical systems have been presented. The simulation have been done during teaching of technical mechanics as well as strength of materials. The presented results have been performed with the finite element method applying the Abaqus system, which is the software utilized in reaserch works and in teaching in Faculty of Managment and Computer Modelling at the Managment and Production ngineering field of study. The Abaqus is utilized in realization of technical mechanics and strength of materials lessons, and also in student diplomas. Results of calculation for statics and dynamics systems were presented. Didactics projects were closely correlated with other subjects: general mechanics, physics, materials science and computer science.. WSTĘP System ABAQUS jest pakietem programów wykorzystujących metodę elementów skończonych (MS) do rozwiązywania złoŝonych problemów inŝynierskich. System ten jest uŝywany na świecie zarówno w środowisku akademickim i w przemyśle. ABAQUS ma budowę modularną, która obejmuje następujące programy: Abaqus/Standard - program metody elementów skończonych ogólnego przeznaczenia, Politechnika Świętokrzyska, Wydział Zarzadzania i Modelowania Komputerowego, 25-34 Kielce, al. Tysiąclecia PP 7, tel. +48 4 3424437, e-mail: jlach@tu.kielce.pl

838 Jan LACHOWSKI Abaqus/xplicit - program elementów skończonych specjalnego przeznaczenia do rozwiązywania zagadnień dynamicznych i silnie nieliniowych, Abaqus/CA program oferujący graficzny interfejs dla uŝytkownika. Do budowy i uruchamiania zadań studenckich wykorzystywany jest program ABAQUS/CA ze względu na prostą i interakcyjną pracę. Utworzony model jest rozwiązywany w module Abaqus/Standard lub Abaqus/xplicite []. PoniŜej omówiono cztery przykłady zagadnień dydaktycznych, dwa zadania statyczne rozwiązane w module Abaqus/Standard i dwa zadania dynamiczne rozwiązane w module Abaqus/xplicit. 2. ZADANIA STATYCZN MODLOWAN W SYSTMI ABAQUS 2. Zginanie belki drewnianej model anizotropowy Zginane belki drewniane zostały rozwiązane z wykorzystaniem anizotropowego modelu materiału, a następnie modelu izotropowego. Celem obliczeń było wykazanie róŝnic przy stosowaniu modeli anizotropowych i izotropowych. Wykonano obliczenia dla dwóch belek o długości 6 m i 3 m, przekroju prostokątnym: szer. 00 mm, wys. 200 mm, wykonanych z drewna sosnowego. Model belki o długości 3 m jest przedstawiony na Rys.. Wyciętą belkę lub deskę moŝna rozpatrywać w przybliŝeniu jako materiał o symetrii ortotropowej (ortogonalnie anizotropowy). Materiał o symetrii ortotropowej posiada trzy płaszczyzny symetrii i trzy osie główne prostopadłe do tych płaszczyzn, zaleŝność odkształceń od napręŝeń dla tego materiału zapisane w układzie osi głównych materiału wyraŝa się wzorem [2] ε ε = 2 3 22 33 2 3 ε 22 33 = 2 = 3 + 2 23 2 22 22 32 3 3, + 33 33 (a), (b) (c) γ 3 = G 3 3, γ 2 = G 2 2, γ 23 = G Liczba niezaleŝnych stałych wynosi 9, poniewaŝ spełnione są związki 23 23 (d) = (2) ij j ji i

WYKORZYSTANI MODLOWANIA KOMPUTROWGO... 839 Uproszczonym modelem ortotropowym jest model materiału poprzecznie izotropowego, który charakteryzuje się płaszczyzną izotropii i 5 niezaleŝnymi stałymi materiałowymi [2]. Dla materiału całkowicie izotropowego istnieją trzy stałe róŝne od zera, i G. Dwie spośród nich są niezaleŝne. Rys.. Schemat belki o dług. 3 m, pokazane siły skupione i podparcie na końcach. Belka była podparta na końcach (belka przęsłowa) i obciąŝona w odległości /3 długości od kaŝdego końca siłą skupioną. Wartość kaŝdej siły wynosiła 4000 N, zarówno dla belki o długości 6 m, jak i dla belki 3 m. Badanym parametrem było maksymalne napręŝenie rozciągające w belce. Wyniki, które zostały uzyskane w programie Abaqus, przedstawia tab.. Długość belki [m] Tab.. NapręŜenia rozciągające w poszczególnych modelach Model poprzecznie Model izotropowy izotropowy [MPa] [MPa] Model ortotropowy [MPa] 6 47,5 47,5 4,07 3 23,44 23,44 20,83 Drugim parametrem badanym w przypadku belki poddanej zginaniu była strzałka ugięcia (przemieszczenie w środku rozpiętości belki). Tabela 2 prezentuje strzałkę ugięcia dla róŝnych modeli. Długość belki [m] Model ortotropowy [cm] Model poprzecznie izotropowy [cm] Tab. 2. Strzałka ugięcia belek Model izotropowy [cm] 6 37 37 3 3 7,5 7 4

840 Jan LACHOWSKI W przypadku analizy napręŝeń i przemieszczeń widoczne są dość duŝe róŝnice pomiędzy modelem anizotropowym, a modelem izotropowym. Natomiast model poprzecznie-izotropowy okazał się odpowiednim uproszczeniem modelu drewna. 2.2 Zginanie płyty wielowarstwowej Do analizy wytrzymałościowej płyty kartonowo- gipsowej w programie Abaqus, zbudowano model o wymiarach 600 x 400 mm. Model zbudowany jest z poszczególnych warstw o grubościach: papier 2 mm, gips 2 mm, papier 3 mm (dolna warstwa). Dla gipsu wybrano model materiału izotropowego, natomiast dla papieru wybrano uproszczony model ortotropowy (a) (d) przy załoŝeniu 33 = 0 (w Abaqus model Lamina). Aby uwzględnić spręŝystość kleju łączącego warstwy gipsu i papieru, zwiększono w modelu moduł Younga dla papieru i wynosi on odpowiednio: - wzdłuŝ włókien bez kleju 740 MPa, z klejem 300 MPa, - w poprzek włókien bez kleju 680 MPa, z klejem 400 MPa. Wyznaczona wytrzymałość papieru na rozciąganie wynosiła: wzdłuŝ włókien 34,9 MPa, a w poprzek włókien 3,8 MPa. Dla gipsu dobrano następujące wartości: moduł Younga 3 MPa (z próby zginania), współczynnik Poissona 0,2, wytrzymałość na rozciąganie,75 MPa (z próby zginania), wytrzymałość na ściskanie 5 MPa. Płyta była obciąŝona wzdłuŝ linii środkowej siłą F narastającą od zera do wartości 600 N (Rys. 2). Geometria płyty, sposób podparcia i sposób obciąŝenia były ustalone zgodnie ze stadardowym badaniem wytrzymałości takich płyt. Przeprowadzono symulację w celu wyznaczenia strzałki ugięcia f, stanu napręŝeń w materiałach i momentu przekroczenia wytrzymałości papieru.porównanie z wynikami doświadczalnymi przedstawiono na Rys. 3. Rys. 2. Model płyty w programie Abaqus, obciąŝenie i podparcie na brzegach

WYKORZYSTANI MODLOWANIA KOMPUTROWGO... 84 F [N] 700 600 500 400 300 200 00 0 0 5 0 5 20 25 f [mm] Rys. 3. ZaleŜność siły gnącej płytę od strzałki ugięcia. Porównanie badań doświadczalnych (krzywa czerwona) z wynikami symulacji w Abaqus (krzywa niebieska) Zbudowany model numeryczny ma charakter ogólny i umoŝliwia badania wytrzymałościowe dla płyt o róŝnych grubościach i róŝnych wymiarach. 2.3 Modelowanie procesu technologicznego Jako przykład modelowania procesu obróbki plastycznej przeprowadzono symulację kształtowania metalowego pręta. W wyniku kształtowania pręta powstaje tuleja z trzonkiem (element amortyzatora). Początkowe wymiary pręta o przekroju kołowym: średnica 40 mm, długość 6 mm. Kolejne operacje obróbki plastycznej: spęczanie, wyciskanie i wyciąganie prowadzą do kształtu końcowego (rys. 4). Średnica zewnętrzna tulei wynosi 62 mm. Rys.4. /4 część tulei powstałej w wyniku obróbki plastycznej Wszystkie modele obliczono wykorzystując moduł do rozwiązywania zagadnień dynamicznych z uŝyciem metody jawnego całkowania równań ruchu Abaqus xplicit.

842 Jan LACHOWSKI Metoda ta uwzględnia siły bezwładności i gęstość materiału. Ta metoda najlepiej nadaje się do zastosowania w analizie ekstremalnych obciąŝeń mechanicznych powodujących duŝe przemieszczenia. PoniewaŜ modelowany obiekt (tuleja z trzonkiem) ma osiową symetrię, w programie Abaqus wykorzystano ten fakt budując model osiowosymetryczny dla wszystkich części: Materiał, Matryca, Stempel. Obliczenia Abaqus/xplicit dla wymienionych operacji obróbki są bardzo czasochłonne. Dla komputera z procesorem AMD 64x2 Dual, 2.6 GHz, 2 GB RAM, czasy obliczeń podane w tab. 3. Tab.3. Czas pracy komputera na poszczególnych etapach symulacji. Rodzaj operacji Spęczanie Wyciskanie Wyciaganie Suma czasu Czas symulacji 33m 8s 35m 4s 9m 37s 88m 8s Symulacja pozwoliła na wyznaczenie potrzebnych sił, które trzeba przyłoŝyć do stempla, aby wykonać Ŝądane operacje. Siłę potrzebną do realizacji wyciskania tulei z pręta przedstawiono na wykresie na Rys. 5. Dodatkowo uzyskano informację o maksymalnych napręŝeniach i odkształceniach w obrabianym materiale (Tab. 4). Tab. 4. Maksymalne napręŝenie zredukowane i uplastycznienie materiału Operacja obróbki Spęczanie Wyciskanie Wyciąganie Maks. napręŝenie Hubera-Misesa 58,6 494,9 488,2 Maks. odkształcenie plastyczne 00,3% 55,20% 2,40% Siła nacisku stempla [kn] 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 000 0 0 2 3 4 5 6 7 8 9 0 2 3 4 5 6 Przesunięcie stempla [mm] Rys. 5. ZaleŜność nacisku stempla od przemieszczenia

WYKORZYSTANI MODLOWANIA KOMPUTROWGO... 843 2.4 Analiza uderzenia pocisku w szybę kuloodporną Celem analizy było znalezienie takiego układu warstw w bocznej szybie samochodowej, aby całość miała odpowiednią zdolność ochronną przed pociskiem kalibru 9 mm o masie 8 g. Model szyby utworzony w programie Abaqus prezentuje Rys. 6. Rys. 6. Model bocznej szyby samochodowej, wymiary w mm Analizowana szyba jest wielowarstwowa, tafle szkła są wzmocnione termicznie i przedzielone warstwami folii PVB (polyvinyl butyral resin), a szczegóły podane są w tab. 5. Tab. 5. Warstwy szyby kuloodpornej Nr warstwy Materiał Grubość [mm] (strona atakowana) Szkło 3 2 Szkło 2 3 Folia PVB 0.38 4 Szkło 6 5 Folia PVB 0.38 6 Szkło 2 7 Folia PVB 0.38 8 Poliwęglan

844 Jan LACHOWSKI Całkowita grubość szyby wynosi 5,4 mm. Wewnętrzną warstwą szyby jest płyta poliwęglanową, która chroni przed przedostaniem się odłamków do wnętrza samochodu. Dane wejściowe do symulacji to między innymi właściwości materiałów z których powstała szyba oraz pocisk, dane te prezentuje poniŝsza tabela 6. Tab. 6. Przyjęte właściwości materiałów Materiał Gęstość Moduł Younga Współczynnik [g/cm 3 ] [MPa] Poissona Szkło 2,5 70000 0,2 Folia PVB 2,0 250 0,45 Poliwęglan,2 2200 0,33 Ołów (pocisk) 2,0 7000 0,3 ZałoŜono uderzenie w szybę pociskiem o prędkości 400m/s. Maksymalne napręŝenia rozciągające w pierwszej warstwie folii (trzeciej w ogólności) od stronu uderzającego pocisku przedstawia Rys. 7. Maksymalne napręŝenie osiąga wartość 20,9 MPa. W następnych warstwach folii maksymalne napręŝenia są nieznacznie mniejsze. Wobec wytrzymałości folii PVB na rozciąganie wynoszącej ok. 20 MPa, wytrzymałość szyby jest na granicy bezpieczeństwa. Rys.7. NapręŜenia w pierwszej warstwie folii od strony atakowanej

WYKORZYSTANI MODLOWANIA KOMPUTROWGO... 845 3. WNIOSKI Prezentowane wybrane przykłady dydaktyczne ze statyki i dynamiki były realizowane w celu wzbogacenia standardowych zagadnień rozwiązywanych na zajęciach z mechaniki technicznej i wytrzymałości materiałów. Przykłady tego typu spotkały się z duŝym zainteresowaniem słuchaczy. Część zagadnień jest ciągle rozwijana i staje się tematami prac dyplomowych. Obecnie prowadzone przez autora zajęcia z Laboratorium Wytrzymałości Materiałów są wzbogacane takimi właśnie przykładami. Poświęcane jest na to kilkanaście ostatnich minut kaŝdych ćwiczeń laboratoryjnych. 4. BIBLIOGRAFIA [] Getting started with Abaqus, Abaqus Inc., 2004. [2] Analysis User s Manual, Materials, Abaqus Inc., 2004.