wytrzymaŁoŚĆ materiaŁów - sms.am.put. · pdf filewprowadzenie do wm ii 2012.doc 1...

Wprowadzenie do WM II 2012.doc 1

Marian Ostwald Instytut Mechaniki Stosowanej

Zakład Wytrzymałości Materiałów i Konstrukcji

WYTRZYMAŁOŚĆ MATERIAŁÓW Zagadnienia wybrane

uzupełniajace dla studiów II stopnia1

Materiały uzupełniające do podręczników:

Marian Ostwald: PODSTAWY WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Wydanie IV poprawione, Poznań 2011

Marian Ostwald: WYTRZYMAŁOŚĆ MATERIAŁÓW. ZBIÓR ZADAŃ. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Wydanie I, Poznań 2008

Wersja 02

Politechnika Poznańska 2012

1 Patrz: Wprowadzenie do WW 2011, www.am.sms.put.poznan.pl


ZNACZENIE WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW (wytrzymałości konstrukcji, mechaniki konstrukcji)

Złożoność współczesnych konstrukcji

CEL: Projektowanie i wytwarzanie bezpiecznych i nieza-wodnych konstrukcji, urządzeń i systemów technicznych.

NARZĘDZIE: TEORIA SYSTEMÓW, INŻYNIERIA SYSTEMÓW

Teoria systemów Inżynieria systemów

Złożoność współczesnych rozwiązań technicznych wymaga

SYSTEMOWEGO ROZWIĄZYWANIA problemów.

METODA: Złożoność współczesnych problemów tech-

nicznych wymaga SYSTEMOWEGO WIDZENIA RZE-

CZYWISTOŚCI. Warunki te spełnia PROJEKTOWANIE

SYTEMOWE (projektowanie mechatroniczne).

ZADANIE: kompromis między wymaganiami ty-pu „hard” (bezpieczeństwo, niezawodność) i „soft” (np. negocjowane koszty, ocena ryzyka).

OGRANICZENIA: projektowanie uwzględniające CYKL ŻYCIA WYROBU TECHNICZNEGO oraz KOSZTY CYKLU ŻYCIA.

Inżynierskie widzenie otoczenia


CYKL ŻYCIA WYROBU KOSZT CYKLU ŻYCIA

PROJEKTOWANIE SYTEMOWE2

SZEROKO ROZUMIANE KOSZTY SĄ OBECNIE PODSTA-WOWYM ELEMENTEM PROJEKTOWANIA KONSTRUKCJI

(SYSTEMÓW) TECHNICZNYCH

Motto inżynierii systemów:

DZIAŁAMY LOKALNIE, MYŚLIMY GLOBALNIE TRZEBA WIDZIEĆ LAS, A NIE POJEDYNCZE DRZEWA.

Lekcja natury, bionika (biomechanika, biomimetyka)

NOWY PARADYGMAT PROJEKTOWANIA

(recycle, reuse, reduse)

Paradygmat 3R stosowany jest coraz powszechniej w przemy-śle motoryzacyjnym.

2 Patrz: Wprowadzenie do POP 2012, www.am.sms.put.poznan.pl

Potrzeba Projektowanie Dystrybucja Eksploatacja Likwidacja

Nowa

potrzeba

Optymalne projektowanie

konstrukcji

WYTRZYMAŁOŚĆ MATERIAŁÓW

(KONSTRUKCJI)

SYSTEM WARTOŚCI KRYTERIUM

OPTYMALIZACYJNE

(koszt wyrobu)

Zarządzanie produkcją

Wytwarzanie

Marketing


MECHATRONIKA3

– synergiczna agregacja inżynierii mechanicznej, elektrycznej, elektronicznej i informacyjnej.

MECHATRONIKA – dział inżynierii systemów.

Inżynieria – działalność polegająca na projektowaniu, konstruowaniu, rozwoju, utrzymaniu i modernizacji urządzeń w oparciu o wiedzę nauko-wą (nauki techniczne). Całokształt niezbędnej wiedzy określa się także terminem technologii.

INŻYNIERIA SYSTEMÓW – INTERDYSCYPLINARNA INŻYNIERIA UKIERUNKOWANA NA ROZWIĄZYWANIE ZŁOŻONYCH PROBLE-MÓW PROJEKTOWANIA I ZARZĄDZANIA.

Mechatronika jako integracja różnych dziedzin nauki i techniki

3 Patrz: Eskrypt: Mechatronika dla mechaników, www.am.sms.put.poznan.pl


Historyczny rozwój systemów mechanicznych, elektrycznych i elektronicznych DEFINICJA MIĘDZYNARODOWEJ FEDERACJI TEORII MASZYN I MECHANI-ZMÓW:

MECHATRONIKA JEST SYNERGICZNĄ KOMBINACJĄ MECHA-NIKI, ELEKTRONICZNEGO STEROWANIA

I SYSTEMOWEGO MYŚLENIA PRZY PROJEKTOWANIU PRO-DUKTÓW I PROCESÓW PRODUKCYJNYCH.

S Y N E R G I A Współdziałanie, współpraca

Tworzenie dodatkowych możliwości (wartości), działanie synergiczne → definicja wg teorii systemów

AKSJOMATY SYSTEMOWE (Aksjomaty – ogólne stwierdzenia, niewymagające udowadniania)

1. Aksjomat synergii: system przejawia cechę synergii

2. Aksjomat kontekstu: na każdy system oddziałuje jego otoczenie.

3. Aksjomat równoważności systemów: różne systemy mogą pro-wadzić do tego samego celu.

4. Aksjomat różnorodności Ashby’ego – każda różnorodność może być zrównoważona tylko przez inną różnorodność.

5. Aksjomat sprawności systemu: sprawność systemu pod wzglę-dem kryterium K zależy od sprawności jego najsłabszego elemen-tu pod względem tegoż kryterium K.

CECHY URZĄDZEŃ MECHATRONICZNYCH

MULTIFUNKCJONALNOŚĆ – możliwość realizacji przez jedno urządze-nie wielu różnorodnych zadań (np. poprzez zmianę oprogramowania).

ELASTYCZNOŚĆ – możliwość modyfikacji urządzeń poprzez zastosowa-nie idei konstrukcji modułowej w procesie projektowania, wytwarzania i eksploatacji.

INTELIGENCJA – zastosowanie oprogramowania umożliwiającego po-dejmowanie decyzji i komunikacji z otoczeniem.

NOWA JAKOŚĆ PRACY – komunikacja z operatorem poprzez interfejs użytkownika (odpowiednie oprogramowanie). Mniejsze zmęczenie fizycz-ne, znacznie zwiększone obciążenie psychiczne związane z odpowiedzial-nością za pracę.

RYNKOWOŚĆ – zależność urządzenia od wymagań rynku. NOWOCZESNOŚĆ – związane urządzeń z możliwościami technologicz-

nymi wielu dziedzin techniki. INNOWACYJNOŚĆ – konieczność szukania nowych rozwiązań dla speł-

nienia coraz szerszych wymagań użytkowników.


KRYTERIA OCENY KONSTRUKCJI

Przy podejmowaniu decyzji o wyborze należy posługiwać się pewnymi kryteriami oceny rozwiązania (konstrukcji).

„Podstawy konstrukcji maszyn” pod red. Marka Dietricha, t. 1

1. KRYTERIUM BEZPIECZEŃSTWA

Wyrób nie powinien zagrażać użytkownikom. Nie wolno dopuszczać do powstania zagrożeń (ocena zagrożenia – subiektywna). Nadzór państwa – dozór techniczny. Dyrek-tywy Unii Europejskiej, normy ISO, firmy ubezpieczeniowe. Ocena ryzyka związanego z zagrożeniami (jednym z celów projektowania mechatronicznego jest ograniczenie roli człowieka).

2. KRYTERIUM NIEZAWODNOŚCI

Kryterium ściśle związane z kryterium bezpieczeństwa. Systemy – awaria jednego elementu może doprowadzić do zniszczenia całego systemu. SYSTEM JEST TAK NIEZAWODNY, JAK JEGO NAJ-SŁABSZY ELEMENT. Najczęściej najsłabszym elementem systemu jest człowiek.

3. KRYTERIUM MASY

4. KRYTERIUM EKONOMIKI EKSPLOATACJI

5. KRYTERIUM TECHNOLOGICZNOŚCI

6. KRYTERIUM ERGONOMII I ESTETYKI

7. KRYTERIUM EKOLOGICZNOŚCI

(patrz –The 3R Initiative, Sound Material-Cycle Society)

Podejście systemowe (holistyczne) do procesu projektowania pozwala na ocenę ważności kryteriów oceny i wypracowanie rozwiązania kompromisowego.

Waga poszczególnych kryteriów – proces decyzyjny, w którym uczestniczą klienci, decydenci, konstruktorzy i ekonomiści.


ROLA I ZNACZENIE PROJEKTOWANIA OPTYMALNEGO4

Konstrukcje i elementy konstrukcyjne powinny być odpowied-

nio trwałe, ekonomiczne i niezawodne. Szczególną uwagę na-

leży przykładać do BEZPIECZEŃSTWA I NIEZAWODNOŚCI

DZIAŁANIA konstrukcji (zdrowia i życia ludzi).

Określenie właściwego poziomu bezpieczeństwa konstruk-

cji jest problemem społecznym, ekonomicznym i technicz-

nym. Problem bezpieczeństwa konstrukcji wymaga zasto-

sowania odpowiednich form konstrukcyjnych, właściwych

materiałów oraz metod obliczeniowych.

WSPÓŁCZESNA TECHNIKA

NIE JEST W STANIE ZAPEWNIĆ

CAŁKOWICIE BEZPIECZNYCH I NIEZAWODNYCH

KONSTRUKCJI (WYSOKI POZIOM KOSZTÓW).

METODA: PROJEKTOWANIE SYSTEMOWE (OPTYMALNE)

K O M P R O M I S

WYTRZYMAŁOŚĆ MATERIAŁÓW JEST ŚCIŚLE ZWIĄZANA Z MECHANIKĄ TECHNICZNĄ ORAZ

PRZEDMIOTEM PODSTAWY KONSTRUKCJI MASZYN (CZĘŚCI MASZYN)

Normalizacja części maszyn

UNIFIKACJA (typizacja) – działalność w celu zmniejszenia różnorodności norm (wyrobów, czynności).

„Podstawy konstrukcji maszyn” pod red. Marka Dietricha, t. 1, WNT Warszawa



Uproszczenia w „klasycznej” wytrzymałości materiałów:

model ciała,

właściwości materiału,

sposobu rozwiązywania problemu.

Wytrzymałość materiałów posługuje się modelem ciała jed-

norodnego, w którym materia wypełnia objętość ciała w spo-sób ciągły. Model ten umożliwia stosowanie w rozwiązywaniu zagadnień inżynierskich pojęć i aparatu analizy matematycznej, takich jak różniczkowanie i całkowanie.

Na podstawie wyników doświadczeń opisujących właściwości

materiałów w wytrzymałości rozróżnia się dwie grupy materia-łów:

– izotropowe, gdy właściwości ciała są identyczne we wszystkich kierunkach,

– anizotropowe, gdy właściwości ciała są różne w różnych kierunkach.

Ciało anizotropowe – drewno.

Ciała ortotropowe - właściwości są definiowane w dwóch wza-jemnie prostopadłych kierunków. W większości zagadnień wy-trzymałość materiałów zajmuje się materiałami izotropowymi. Sposób rozwiązania zadań w wytrzymałości materiałów powin-

no charakteryzować praktyczne, inżynierskie podejście.

Klasyczna wytrzymałość materiałów posługuje się mode-lem ciała jednorodnego, izotropowego, idealnie spręży-

stego i charakteryzuje się praktycznym, inżynierskim po-dejściem do rozwiązywanych problemów.


MODELOWANIE INŻYNIERSKIE

Problem Model Rozwiązanie

DWA MOŻLIWE PODEJŚCIA:

1. Problem ModelP RozwiązanieD(ModelP)

ModelP – przybliżony model problemu

2. Problem ModelD RozwiązanieP(ModelD)

ModelD – dokładny model problemu

RozwiązanieP(ModelD) – rozwiązanie przybliżone modelu

dokładnego

OGRANICZENIA:

Złożone problemy często mają olbrzymią liczbę możliwych rozwią-

zań.

Żeby dojść do jakiegokolwiek rozwiązania, musimy często wprowa-

dzić uproszczenia, które uczynią problem możliwy do rozwiązania.

Uzyskane w rezultacie rozwiązania mogą być nieużyteczne.

Warunki problemu zmieniają się w czasie, mogą na nie mieć też

wpływ osoby, które chcą twojego niepowodzenia.

Rzeczywiste problemy mają ograniczenia, które wymagają specjal-

nych operacji do generowania rozwiązań dopuszczalnych.

OGRANICZENIA MODELOWANIA:

1. Niedokładności modelowania. NIE MA MODELI IDEALNYCH.

2. Niewystarczające umiejętności zawodowe (wiedza, praktyka).

3. Niedokładności materiałowe.

4. Niedokładności wykonania elementów.

5. Niedokładności montażowe.

6. Niedokładności eksploatacyjne (nie przestrzeganie przepisów, proce-

dur KATASTROFY).

BYLEJAKOŚĆ – nowy „paradygmat” naszej codzienności


LEKCJA NATURY

Czynniki twórcze w naturze:

nieodwracalność czasu,

nieliniowość,

tendencja do samoorganizowania się i tworzenia złożonych ukła-

dów,

rywalizacja o ograniczone zasoby.

Natura inspiracją dla inżynierów – BIOMIMETYKA

Zbiór zasad, którymi kieruje się Przyroda i które są inspiracją dla środowiska inżynierów (i nie tylko), pracujących na rzecz lepszego zaspokajania potrzeb człowieka, jak również na rzecz zapewnienia naszej cywilizacji większych szans przetrwania:

Przyroda napędzana jest światłem słonecznym, wykorzystuje jedynie tyle energii, ile potrzebuje.

Przyroda dopasowuje formę do funkcji.

Przyroda wszystko poddaje recyklingowi.

Przyroda nagradza współpracę.

Kapitałem Przyrody jest jej różnorodność.

Przyroda wymaga lokalnej sprawności.

Przyroda umie się samoorganizować.

Przyroda ograniczeniom zawdzięcza swe sukcesy.

ZASTOSOWANIE LEKCJI NATURY W OPTYMALNYM PROJEKTOWANIU KONSTRUKCJI

5



PROJEKTOWANIE KONSTRUKCJI

Miarą wytężenia materiału są naprężenia dopuszczalne:

,nnieb

dop

gdzie: nieb – naprężenie przyjęte za niebezpieczne (granica plastycz-

ności, wytrzymałość materiału na rozciąganie), n – współczynnik bezpieczeństwa.

Współczynnik bezpieczeństwa n musi być większy od 1.

Właściwy dobór współczynnika bezpieczeństwa to jedno z podstawo-wych zagadnień w projektowaniu. Wymagania:

Znajomość całokształtu problemów konstrukcyjnych, technologicz-nych i eksploatacyjnych – WIEDZA SYSTEMOWA, z uwzględnie-niem wpływu działalności inżynierskiej na środowisko (otoczenie).

Posiadanie wiedzy teoretyczną (wiedza jawna), oraz odpowiedniej wiedzy praktycznej (wiedza ukryta).

Odpowiedzialność i samokontrola, asertywność, umiejętność podejmowania decyzji i skalkulowanego ryzyka.

CZYNNIKI WPŁYWĄJACE NA WYBÓR WSPÓŁCZYNNIKA BEZPIECZEŃSTWA:

1. Niejednorodna struktura materiału (wtrącenia).

2. Naprężenia wstępne (obróbka cieplna, naprężenia montażowe, na-prężenia termiczne).

3. Charakter obciążenia:

losowość obciążenia (obciążenia przypadkowe),

zmienność obciążenia (zmęczenie materiałów),

obciążenia dynamiczne (udarowe).

4. Warunki eksploatacji (zużycie, korozja).

5. Spiętrzenia naprężeń (karby, niedokładności wykonania i obciążenia).

6. Niedoskonałość metod obliczeniowych:

zbyt daleko idące uproszczenia,

błędy modelowania,

niedoskonałość metod analitycznych.


W nowocześnie rozumianej wytrzymałości materiałów zaczyna dominować tendencja do bardzo precyzyjnego określania rzeczywi-stych współczynników bezpieczeństwa. Jest to zagadnienie o zło-żonym charakterze, wymagającym uwzględnienia:

aspektów bezpiecznej pracy konstrukcji,

aspektów niezawodnej pracy konstrukcji,

aspektów ekonomicznych (kosztów projektowanych konstrukcji).

Uwzględnienie tych i innych aspektów powoduje, że obliczenia wy-trzymałościowe stają się coraz bardziej skomplikowane, odpowiedzialne i wymagają stosowania najnowszych osiągnięć nauki, techniki kompute-rowej i informatyki. OBLICZENIA TE MAJĄ CHARAKTER SYSTEMOWY (MECHATRONICZNY) – PROJEKTOWANIE SYSTEMOWE (projekto-wanie uwzględniające optymalizację konstrukcji)6.

Konstrukcja bezpieczna oprócz spełnienia warunków bezpiecznej pracy (wytrzymałości i sztywności) musi także sygnalizować przeciąże-nie konstrukcji (rysy, pęknięcia, osiadanie). Konstrukcja powinna być tak zaprojektowana, aby umożliwić ewakuację ludzi i sprzętu (nie ulegać nagłemu, niesygnalizowanemu zniszczeniu).

WARUNEK WYTRZYMAŁOŚCIOWY

.dopmax

Warunek wytrzymałościowy stanowi podstawę obliczeń wytrzymało-ściowych na „naprężenia dopuszczalne”. Prostota tego warunku powo-duje, że dominuje on w procesach projektowania większości konstrukcji inżynierskich. Z warunku wynika, że o wytrzymałości całej konstrukcji decyduje jej najsłabszy element, w którym pojawią się naprężenia do-puszczalne. Korzystanie z niego umożliwia zrealizowanie obu zadań wy-trzymałości materiałów, czyli:

– określenie dopuszczalnych obciążeń konstrukcji o znanych wy-miarach,

– określenie koniecznych wymiarów konstrukcji dla zadanego ob-ciążenia. Postawą obliczeń wytrzymałościowych są właściwości materiału uzy-

skane za pomocą statycznej próby rozciągania.



INNE WARUNKI WYTRZYMAŁOŚCIOWE:

Warunek sztywności konstrukcji dopLL .

Warunek stateczności konstrukcji (konstrukcje cienkościenne) krPP ,

gdzie Pkr to obciążenie krytyczne dla danej konstrukcji.

Warunek wytrzymałości zmęczeniowej.

Inne – np. warunek na pełzanie.

PRAKTYKA INŻYNIERSKA: jednoczesne spełnianie ww. warunków.

Obliczenia wytrzymałościowe oparte na koncepcji naprężeń dopusz-czalnych są powszechnie stosowane w praktyce inżynierskiej. Ich wadą jest to, że o bezpieczeństwie całej konstrukcji decyduje wartość na-prężenia w jednym tylko miejscu. Jest to sposób projektowania zakła-dający, że o wytrzymałości całej konstrukcji decyduje jej najsłabszy ele-ment. Gdy w konstrukcji występują spiętrzenia naprężeń, ścisłe trzymanie się tego sposobu (koncepcji, filozofii projektowania) prowadzi do jej przewymiarowania. W związku z tendencją do urealniania współczynni-ków bezpieczeństwa coraz częściej stosuje się inne koncepcję obliczeń wytrzymałościowych.

METODY PROJEKTOWANIA KONSTRUKCJI

1. Metody energetyczne – pojęcia: pręt uogólniony, siła uogólniona, przemieszczenie uogólnione. Twierdzenie Castigliano, zasada naj-mniejszej pracy Menabre’a. Powszechne zastosowanie w praktyce.

2. Metoda obciążeń granicznych – dopuszcza występowanie w konstruk-cji odkształceń plastycznych (schematyzacja wykresów rozciągania).

3. Metoda naprężeń granicznych: obciążenie obliczeniowe )e(

ii PP ,

gdzie )e(

iP – i-te obciążenie charakterystyczne (przenoszone siły, ciężar

własny, temperatura itp.), i – współczynniki obciążeń stałych, zmien-nych oraz uplastycznienia materiału.

4. Metoda stanów granicznych – stanu granicznego nośności lub stanu granicznego użytkowania. Metoda oparta jest na skodyfikowanych międzynarodowych przepisach i normach (Eurokody).

5. Metoda elementów skończonych MES (Finite Element Metod FEM)

Zalety MES: określanie rzeczywistych współczynników bezpieczeństwa, odejście od filozofii projektowania na „najbardziej obciążony element”

i wyrównanie wartości naprężeń w całej konstrukcji.

Wady MES: eksperyment numeryczny, konieczność doświadczalnej weryfikacji rozwiązań.


WYTRZYMAŁOŚĆ MATERIAŁÓW JEST ŚCISLE ZWIĄZANA Z PRZEDMIOTEM PODSTAWY KONSTRUKCJI MASZYN

(CZĘŚCI MASZYN) Podstawy konstrukcji maszyn (maszynoznawstwo) – dziedzina inżynierii me-chanicznej obejmująca projektowanie i dobór elementów mechanizmów, urzą-dzeń i maszyn. W szczególności PKM to konstruowanie i dobór połączeń, łoży-skowań, konstruowanie wałów i osi, sprzęgieł, hamulców przekładni itd. Istotną częścią PKM jest odpowiedni dobór tolerancji wykonawczych, tolerancji kształ-tów (płaskości, okrągłości), dobór pasowań (tolerancji wałków i otworów), pa-rametrów jakości powierzchni (chropowatości, płaskości, falistości).

Normalizacja części maszyn

Normalizacja jest działalność mająca na celu uzyskanie optymalnego w danych warunkach stopnia uporządkowania w określonym zakresie, poprzez ustalenie postanowień przeznaczonych do powszechnego i wielokrotnego stosowania, dotyczących problemów istniejących lub możliwych do wystąpienia. Działalność ta polega w szczególności na opracowywaniu, publikowaniu i wdrażaniu norm.

Potrzeba normalizacji została zrodzona w wyniku rozwoju produkcji seryjnej i masowej (zamienność części). W procesie projektowania koniecznością stało się ujednolicanie pojęć, terminów, nazw, symboli, metod obliczeń, sposobów badań, produkcji i kontroli, określanie warunków eksploatacji, przechowywa-nia, transportu oraz likwidacji.

Normalizacja skraca cykl przygotowania wyrobów technicznych.

Ograniczenie wyboru do wartości znormalizowanych ogranicza kreatywność konstruktora, rzutuje na zwiększenie kosztów (masy) projektowanych elemen-tów. Inżynier – projektant w procesie obliczeń wytrzymałościowych dobiera konkretne rozwiązania w oparciu o właściwe normy. Normalizacja ma jednak głęboki sens ekonomiczny. Odstępstwa od norm wymagają wielu uzgodnień. NORMALIZACJA WYMAGA STOSOWANIA W PROJEKTOWANIU KOMPROMISU.

NORMA – dokument przyjęty na zasadzie konsensusu i zatwierdzony przez upoważnioną jednostkę organizacyjną.

PN-EN:45020:2000 „Normalizacja i dziedziny związane. Terminologia ogólna”

Normy – zbiory przepisów opisujących cechy i właściwości elementów kon-strukcyjnych (normy międzynarodowe, dyrektywy UE, normy państwowe,

branżowe, zakładowe).

UNIFIKACJA (typizacja) – działalność w celu zmniejszenia różnorodności norm (wyrobów, czynności).

„Podstawy konstrukcji maszyn” pod red. Marka Dietricha, t. 1, WNT Warszawa


KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE PROJEKTOWANIA URZĄDZEŃ MECHATRONICZNYCH

PODSTAWOWE ZASADY PROJEKTOWANIA:

I ZASADA KONSTRUKCJI KONSTRUKCJA POWINNA SPEŁNIAĆ WSZYSTKIE

PODSTAWOWE WARUNKI KONSTRUKCYJNE W STOPNIU NIE GORSZYM OD ZAŁOŻONEGO

II ZASADA KONSTRUKCJI KONSTRUKCJA POWINNA BYĆ OPTYMALNA

W DANYCH WARUNKACH ZE WZGLĘDU NA PODSTAWOWE KRYTERIUM OPTYMALIZACYJNE

Oprócz podstawowych zasad konstrukcji istnieje wiele zasad szczegółowych, któ-re konstrukcja musi spełniać w stopniu nie gorszym od założonych na początku pro-cesu projektowania (określonych przez klienta), zgodnie z I zasadą konstrukcji. Do najważniejszych szczegółowych zasad konstrukcji należą:

bezpieczeństwo

funkcjonalność

niezawodność i trwałość

sprawność

prawidłowość doboru materiałów

dobór właściwej technologii

masa

ergonomiczność

łatwość eksploatacji i napraw

niskie koszty eksploatacji

zgodność z obowiązującymi nor-mami i przepisami

łatwość likwidacji

inne zasady i wymagania.

Praca zbiorowa pod red. Zbigniewa Osińskiego: PODSTAWY KONSTRUKCJI MASZYN, Wyd Naukowe PWN 2003


THE CODES The 58 parts of the Eurocodes are published under 10 area headings. The first two areas – basis and actions – are common to all designs, six are material-specific and the other two cover geotechnical and seismic aspects.

EN1990 Eurocode 0: Basis of structural design

EN1991 Eurocode 1: Actions on structures

EN1992 Eurocode 2: Design of concrete structures

EN1993 Eurocode 3: Design of steel structures

EN1994 Eurocode 4: Design of composite steel and concrete structures

EN1995 Eurocode 5: Design of timber structures

EN1996 Eurocode 6: Design of masonry structures

EN1997 Eurocode 7: Geotechnical design

EN1998 Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance

EN1999 Eurocode 9: Design of aluminium structures

By March 2010 the Eurocodes will be mandatory for European

public works and likely to become the de-facto standard for the private sector – both in Europe and world-wide. They will also provide the framework for standards used in assessing struc-tural products for their essential CE marking.

http://www.eurocodes.co.uk/

European Commit-tee

for Standardization

Members, affiliates, and part-ner standardisation bodies of

the ECS.

The European Committee for Standardization or Comité Européen de Normalisation (CEN), is a non-profit organisation whose mission is to foster the European economy in global trading, the welfare of European citizens and the environment by providing an efficient infrastructure to interested parties for the development, maintenance and distribution of coherent sets of standards and specifications. The CEN was founded in 1961.


ELEMENTY WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW

W PROJEKTOWANIU MECHATRONICZNYM

WYTRZYMAŁOŚĆ MATERIAŁÓW I:

Naprężenia montażowe

Naprężenia cieplne (termiczne)

Skręcanie swobodne prętów o przekroju dowolnym

Skręcanie nieswobodne prętów o przekroju dowolnym (prętów

cienkościennych)

Ramy, kratownice, pręty zakrzywione (łuki)

Tarcze, płyty, powłoki

Pręty silnie zakrzywione (haki)

WYTRZYMAŁOŚĆ MATERIAŁÓW II:

ZMĘCZENIE MATERIAŁÓW

OBCIĄŻENIA DYNAMICZNE

STATECZNOŚĆ KONSTRUKCJI

MATERIAŁY NIEJEDNORODNE (KOMPOZYTY)

Pełzanie i relaksacja naprężeń

Naprężenia kontaktowe

LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA:

Zdzisław Dyląg, Antoni Jakubowicz, Zbigniew Orłoś: WYTRZYMAŁOŚĆ MATERIAŁÓW. Tom I i II, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne

Marek Bijak-Żochowski (red.): MECHANIKA MATERIAŁÓW I KON-STRUKCJI. Tom 1 i 2. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej

Michał E. Niezgodziński, Tadeusz Niezgodziński: WZORY WYKRESY I TABLICE WYTRZYMAŁOŚCIOWE. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne


MATERIAŁY UZUPEŁNIAJACE Wykaz zagadnień omawianych w ramach przedmiotu WYTRZYMAŁOŚĆ KONSTRUKCJI MECHANICZNYCH

1. Analiza wrażliwości – patrz „Podstawy wytrzymałości materiałów”, przykład

8.2.

2. Naprężenia termiczne i montażowe – patrz „Podstawy wytrzymałości materia-

łów” oraz „Wytrzymałość materiałów – zbiór zadań”.

3. Skręcanie swobodne prętów o przekroju nieokrągłym – patrz „Podstawy

wytrzymałości materiałów”, tabela 6.1.

4. Skręcanie nieswobodne prętów o przekroju nieokrągłym.

Skręcanie swobodne – przekrój poprzeczny ma swobodę w

odkształcaniu się w kierunku prostopadłym do powierzchni

przekroju paczenie się przekroju, deplanacja przekroju.

Skręcanie nieswobodne – deplanacja przekroju poprzecznego

jest ograniczona, co powoduje w skręcanym pręcie pojawienie

się obok naprężeń stycznych naprężeń normalne.

Skręcanie nieswobodne prętów cienkościennych

o profilach otwartych i zamkniętych

Duże znaczenie praktyczne, wysoki stopień złożoności

problemu w aspekcie teoretycznym oraz numerycznym

(globalne i lokalne formy utraty stateczności wyboczenia

prętów).


5. Konstrukcje kompozytowe – patrz: „Mechanika materiałów i konstrukcji”, pra-

ca zbiorowa pod redakcją Marka Bijak-Żochowskiego, Oficyna Wydawnicza Po-

litechniki Warszawskiej 2006, tom II.

6. Zmęczenie materiałów – patrz „Podstawy wytrzymałości materiałów” oraz

Z. Dyląg, A. Jakubowicz, Z. Orłoś „Wytrzymałość materiałów”, Wydawnictwa

Naukowo-Techniczne, tom II.

7. Obciążenia dynamiczne (udarowe) – patrz Z. Dyląg, A. Jakubowicz, Z. Orłoś

„Wytrzymałość materiałów”, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, tom II.

8. Metody energetyczne – patrz „Podstawy wytrzymałości materiałów” oraz „Wy-

trzymałość materiałów – zbiór zadań”.

9. Ramy – patrz „Podstawy wytrzymałości materiałów” oraz „Wytrzymałość mate-

riałów – zbiór zadań”.

10. Łuki – patrz „Podstawy wytrzymałości materiałów” oraz „Wytrzymałość materia-

łów – zbiór zadań”.

11. Projektowanie elementów mechanicznych.

PROJEKTOWANIE ELEMENTÓW MECHANICZNYCH

Wykres rozciągania dla materiałów plastycznych

(z wyraźną granicą plastyczności).

A – granica proporcjonalności

B – granica sprężystości

C – górna granica plastyczności

D – dolna granica plastyczności

E – wytrzymałość na rozciąganie (wytrzymałość

doraźna)

F – zerwanie próbki

Linia HGH – linia odciążenie – ponownego obciążenie umocnienienie materiału

poprzez jego plastyczne (trwałe) odkształcenie na zimno (strain-hardening, work-

hardening).


Uproszczone wykresy rozciągania

Cel – uproszczenie modeli matematycznych, zastosowania inżynierskie

(projektowanie).

e s0

AB

CD

Linia OAD – klasyczny wykres statycznej próby rozcią-

gania bez wyraźnej granicy plastyczności: stale węglowe

o wysokiej wytrzymałości, stale stopowe ulepszane

cieplnie, także niektóre stopy aluminium.

Linia OABC – zlinearyzowany wykres dla stali niskowę-

glowych oraz niskostopowych o wysokiej wytrzymałości.

Modele materiału: przybliżone określanie związków – poza zakresem spręży-

stym schematyzacja (linearyzacja) wykresów rzeczywistych.

0

AR

e

Model materiału idealnie sztywno-plastycznego

e0

AR

e

Model materiału sprężysto-idealnie plastycznego

e0

AR

e

Model materiału sprężysto-plastycznego

z umocnieniem liniowym

e0

AR

e

Model materiału sprężysto-plastycznego

z umocnieniem nieliniowym

Wykresy ściskania stali

Ściskanie elementów konstrukcyjnych (pręty, belki, elementy cienkościenne,

smukłe) powoduje ich wyboczenie UTRATĘ STATECZNOŚCI

Wykres ściskania i rozciągania

miękkiej stali

kr

L/r

Wyboczenieniesprężyste

Wyboczenie sprężyste

ab

c

d

e

f

0

Wykres rozciągania:

e s0

AB

CD

Wykres NAPRĘŻENIE – SMUKŁOŚĆ L/r (L/):

Wyboczenie


Linia eaf – krzywa wyboczenia sprężystego (wzory Eulera, wyboczenie eulerow-

skie),dla wszystkich gatunków stali.

Linia ad – krzywa wyboczenia niesprężystego (odpowiedniki linii OAD na wykresie

rozciągania).

Linia abc – niesprężyste wyboczenie elementów ściskanych (odpowiednik linii

OABC na wykresie rozciągania)

12. Stateczność konstrukcji – patrz „Podstawy wytrzymałości materiałów” oraz

„Wytrzymałość materiałów – zbiór zadań”.

13. Dźwigary powierzchniowe – patrz Z. Dyląg, A. Jakubowicz, Z. Orłoś „Wytrzy-

małość materiałów”, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, tom II.

DŹWIGARY POWIERZCHNIOWE

Dźwigary powierzchniowe (thin-walled structures) – trójwymiarowe ciała odkształ-

calne, których grubość jest mała w porównaniu z pozostałymi wymiarami, takimi jak

długość czy szerokość.

Cecha charakterystyczna – zdolność do przenoszenia znacznych obciążeń, wy-

soki stosunek obciążenie/masa wysoka „efektywność” konstrukcji.

Powłoka (shell) – konstrukcja przestrzenna ograniczona zakrzywionymi powierzch-

niami (powłoki kuliste, walcowe, stożkowe i inne – powłoki cienkościenne). Powłoki

grubościenne – grubość porównywalna z pozostałymi wymiarami – rury.

Płyta (plate) – konstrukcja przestrzenna ograniczona powierzchniami płaskimi, ob-

ciążona w płaszczyźnie środkowej płyty i prostopadle do tej powierzchni (rozciąganie,

zginanie).

Tarcza (disc) – j. w., obciążenie tylko w płaszczyźnie środkowej (rozciąganie).

Membrana (membrane) – j.w., nie przenosi obciążeń, charakteryzuje dużą podatno-

ścią na odkształcenia (membrany głośnikowe, dachowe), spełnia dodatkowe funkcje

ochronne.

Geometrię dźwigarów powierzchniowych określa się definiując kształt tzw. po-

wierzchni środkowej, leżącej w jednakowych odległościach od powierzchni ze-

wnętrznych konstrukcji.

14. Cienkościenne konstrukcje powłokowe – patrz Z. Dyląg, A. Jakubowicz, Z.

Orłoś „Wytrzymałość materiałów”, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, tom II oraz „Mechanika materiałów i konstrukcji”, praca zbiorowa pod redakcją Marka Bijak-Żochowskiego, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej 2006, tom II.


CIENKOŚCIENNE KONSTRUKCJE POWŁOKOWE (Thin-walled shell structures)

ZBIORNIKI CIENKOŚCIENNE (Pressure vessels)

Powłoka jest ciałem stałym, zajmującym obszar pomiędzy dwiema powierzchniami, między którymi odległość jest niewielka w porównaniu z rozmiarami samych powierzchni.

Grubość powłoki jest wielokrotnie mniejsza od jej pozostałych rozmiarów.

Złożoność teorii powłok, skomplikowany aparat matematyczny.

POWŁOKI CIENKOŚCIENNE (Thin-walled shells)

POWŁOKI TRÓJWARSTWOWE (Sandwich shells)

POWŁOKI WIELOWARSTWOWE (Multilayer shells)

POWŁOKI GRUBOŚCIENNE (Thick-walled shells)

L

P P

q

R

q


15. Teoria sprężystości – patrz Z. Dyląg, A. Jakubowicz, Z. Orłoś „Wytrzymałość

materiałów”, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, tom II oraz „Mechanika mate-riałów i konstrukcji”, praca zbiorowa pod redakcją Marka Bijak-Żochowskiego, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej 2006, tom II.

TEORIA SPRĘŻYSTOŚCI

WYTRZYMAŁOŚĆ MATERIAŁÓW:

1. Zależności między siłami równania równowagi

2. Zależności geometryczne odkształcenia i przemieszczenia (UPROSZCZENIA)

3. Związki fizyczne związek między siłami (naprężeniami) i wielkościami geome-

trycznymi (przemieszczenia, odkształcenia) – prawo Hooke’a

MODEL: ciało jednorodne, izotropowe, sprężyste

Hipoteza płaskich przekrojów (hipoteza Bernoulliego)

Zasada de Saint-Venanta – sposób przyłożenia obciążenia nie ma większego

wpływu na stan naprężeń i przemieszczeń (charakter lokalny).

PRAKTYKA TECHNICZNA: 1. Niedoskonałość modelowania elementów konstrukcyjnych

2. Zmienność przekrojów

3. Zmienność obciążeń

4. Niejednorodność materiałów

5. Niesprężystość materiałów

6. Sposób przyłożenia obciążeń

TEORIA SPRĘŻYSTOŚCI (TEORIA PLASTYCZNOŚCI) – METODY ROZWIĄZY-

WANIA ZŁOŻONYCH PRZYPADKÓW WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW

16. Rury grubościenne (zadanie Lame) – patrz Z. Dyląg, A. Jakubowicz, Z. Orłoś

„Wytrzymałość materiałów”, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, tom II oraz „Mechanika materiałów i konstrukcji”, praca zbiorowa pod redakcją Marka Bijak-Żochowskiego, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej 2006, tom II.

wytrzymaŁoŚĆ materiaŁów - sms.am.put. · pdf filewprowadzenie do wm ii 2012.doc 1...

Documents