Upload
lebao
View
241
Download
4
Embed Size (px)
Citation preview
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
Wprowadzenie do WM II 2012.doc 2
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
Wprowadzenie do WM II 2012.doc 3
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
Wprowadzenie do WM II 2012.doc 4
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
Wprowadzenie do WM II 2012.doc 5
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.
Wprowadzenie do WM II 2012.doc 6
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.
Wprowadzenie do WM II 2012.doc 7
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
4 Patrz: Wprowadzenie do POP 2012, www.am.sms.put.poznan.pl
Wprowadzenie do WM II 2012.doc 8
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.
Wprowadzenie do WM II 2012.doc 9
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
Wprowadzenie do WM II 2012.doc 10
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
5 Patrz: Wprowadzenie do POP 2012, www.am.sms.put.poznan.pl
Wprowadzenie do WM II 2012.doc 11
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.
Wprowadzenie do WM II 2012.doc 12
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.
6 Patrz: Wprowadzenie do POP 2012, www.am.sms.put.poznan.pl
Wprowadzenie do WM II 2012.doc 13
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.
Wprowadzenie do WM II 2012.doc 14
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
Wprowadzenie do WM II 2012.doc 15
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
Wprowadzenie do WM II 2012.doc 16
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.
Wprowadzenie do WM II 2012.doc 17
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
Wprowadzenie do WM II 2012.doc 18
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).
Wprowadzenie do WM II 2012.doc 19
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).
Wprowadzenie do WM II 2012.doc 20
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
Wprowadzenie do WM II 2012.doc 21
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.
Wprowadzenie do WM II 2012.doc 22
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
Wprowadzenie do WM II 2012.doc 23
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.