Summer Workshop of Applied Mechanics. Závislost míry tuhosti laminátové desky na orientaci vrstev a její maximalizace

Podobné dokumenty
Optimalizace vláknového kompozitu

ÚVOD DO MODELOVÁNÍ V MECHANICE

Analýza napjatosti PLASTICITA

FAKULTA STAVEBNÍ NELINEÁRNÍ MECHANIKA. Telefon: WWW:

SMA2 Přednáška 09 Desky

Summer Workshop of Applied Mechanics. Vliv mechanického zatížení na vznik a vývoj osteoartrózy kyčelního kloubu

PRUŽNOST A PEVNOST II

Kap. 3 Makromechanika kompozitních materiálů

Únosnost kompozitních konstrukcí

Obr. 0.1: Nosník se spojitým zatížením.

Pružnost a plasticita II CD03

Mechanika s Inventorem

Napěťový vektor 3d. Díky Wikipedia za obrázek. n n n

PENETRACE TENKÉ KOMPOZITNÍ DESKY OCELOVOU KULIČKOU

TENSOR NAPĚTÍ A DEFORMACE. Obrázek 1: Volba souřadnicového systému

Globální matice konstrukce

Přednáška 08. Obecná trojosá napjatost

Užití systému Matlab při optimalizaci intenzity tepelného záření na povrchu formy

Nosné desky. 1. Kirchhoffova teorie ohybu tenkých desek (h/l < 1/10) 3. Mindlinova teorie pro tlusté desky (h/l < 1/5)

FAKULTA STAVEBNÍ. Telefon: WWW:

4. Napjatost v bodě tělesa

Úvod do teorie her

Princip virtuálních prací (PVP)

8. Základy lomové mechaniky. Únava a lomová mechanika Pavel Hutař, Luboš Náhlík

Vícerozměrné úlohy pružnosti

Kritéria porušení laminy

Rovinná úloha v MKP. (mohou být i jejich derivace!): rovinná napjatost a r. deformace (stěny,... ): u, v. prostorové úlohy: u, v, w

OTÁZKY K PROCVIČOVÁNÍ PRUŽNOST A PLASTICITA II - DD6

Nelineární problémy a MKP

Autor: Vladimír Švehla

16. Matematický popis napjatosti

Rovnoměrně ohýbaný prut

Katedra geotechniky a podzemního stavitelství

Vektory II. Předpoklady: Umíme už vektory sčítat, teď zkusíme opačnou operací rozklad vektoru na složky.

Střední průmyslová škola strojírenská a Jazyková škola s právem státní jazykové zkoušky, Kolín IV, Heverova 191

Souřadnicové výpočty I.

Funkce základní pojmy a vlastnosti

Vzpěr jednoduchého rámu, diferenciální operátory. Lenka Dohnalová

Matematika I 12a Euklidovská geometrie

Martin NESLÁDEK. 14. listopadu 2017

Přetvořené ose nosníku říkáme ohybová čára. Je to rovinná křivka.

Náhradní ohybová tuhost nosníku

Pružnost a pevnost I

ANALÝZA NAPĚTÍ A DEFORMACÍ PRŮTOČNÉ ČOČKY KLAPKOVÉHO RYCHLOUZÁVĚRU DN5400 A POROVNÁNÍ HODNOCENÍ ÚNAVOVÉ ŽIVOTNOSTI DLE NOREM ČSN EN A ASME

Fotbalový míč má tvar mnohostěnu složeného z pravidelných pětiúhelníků a z pravidelných šestiúhelníků.

1. výpočet reakcí R x, R az a R bz - dle kapitoly 3, q = q cosα (5.1) kolmých (P ). iz = P iz sinα (5.2) iz = P iz cosα (5.3) ix = P ix cosα (5.

Lineární stabilita a teorie II. řádu

Mechanika zemin a zakládání staveb, 2 ročník bakalářského studia. Zemní tlaky

Přednáška 08. Obecná trojosá napjatost. Napětí statické rovnice Deformace geometrické rovnice Zobecněný Hookeův zákon Příklad zemní tlak v klidu

Vlastní čísla a vlastní vektory

Rozdíly mezi MKP a MHP, oblasti jejich využití.

ŠROUBOVICE. 1) Šroubový pohyb. 2) Základní pojmy a konstrukce

Kristýna Kuncová. Matematika B3

Souřadnicové výpočty. Geodézie Přednáška

Summer Workshop of Applied Mechanics. Závislost úhlu rozevření mužské aorty na věku a lokalizaci

Ing. Tomáš MAUDER prof. Ing. František KAVIČKA, CSc. doc. Ing. Josef ŠTĚTINA, Ph.D.

DIPLOMOVÁ PRÁCE OPTIMALIZACE MECHANICKÝCH

Vektorové podprostory, lineární nezávislost, báze, dimenze a souřadnice

#(, #- #(!!$!#$%!! [2], studiu difraktivních. #!$$&$.( &$/#$$ oblasti holografie a difraktivní!# '!% #!!$#!'0!!*#!(#!! #!!! $ % *! $! (!

Desky. Petr Kabele. Pružnost a pevnost 132PRPE Přednášky. Deska/stěna/skořepina, desky základní předpoklady, proměnné a rovnice

Funkce základní pojmy a vlastnosti

6 Samodružné body a směry afinity

0.1 Úvod do lineární algebry

MATEMATIKA II - vybrané úlohy ze zkoušek ( 2015)

OPTIMALIZACE A MULTIKRITERIÁLNÍ HODNOCENÍ FUNKČNÍ ZPŮSOBILOSTI POZEMNÍCH STAVEB D24FZS

Nelineární úlohy při výpočtu konstrukcí s využitím MKP

Speciální numerické metody 4. ročník bakalářského studia. Cvičení: Ing. Petr Lehner Přednášky: doc. Ing. Martin Krejsa, Ph.D.

Okruhy problémů k teoretické části zkoušky Téma 1: Základní pojmy Stavební statiky a soustavy sil

FYZIKA I. Rovnoměrný, rovnoměrně zrychlený a nerovnoměrně zrychlený rotační pohyb

4.3. GONIOMETRICKÉ ROVNICE A NEROVNICE

Pevnost kompozitů obecné zatížení

Základy matematiky pro FEK

Vlastnosti a zkoušení materiálů. Přednáška č.4 Úvod do pružnosti a pevnosti

Lineární klasifikátory

9. přednáška 26. listopadu f(a)h < 0 a pro h (0, δ) máme f(a 1 + h, a 2,..., a m ) f(a) > 1 2 x 1

3.2. ANALYTICKÁ GEOMETRIE ROVINY

G( x) %, ν%, λ. x, x, N, N nezáporné přídatné proměnné, ( ) 2 Matematické programování

Evolučníalgoritmy. Dále rozšiřována, zde uvedeme notaci a algoritmy vznikléna katedře mechaniky, Fakulty stavební ČVUT. Moderní metody optimalizace 1

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ

ÚVOD DO TEORIE MATEMATICKÉ PRUŽNOSTI

Dvě varianty rovinného problému: rovinná napjatost. rovinná deformace

Nespojitá vlákna. Nanokompozity

Platnost Bernoulli Navierovy hypotézy

Metoda konečných prvků Charakteristika metody (výuková prezentace pro 1. ročník navazujícího studijního oboru Geotechnika)

5. Lokální, vázané a globální extrémy

Stavební fakulta Katedra mechaniky. Jaroslav Kruis, Petr Štemberk

Projekt IMPLEMENTACE ŠVP. pořadí početních operací, dělitelnost, společný dělitel a násobek, základní početní operace

Střední průmyslová škola strojírenská a Jazyková škola s právem státní jazykové zkoušky, Kolín IV, Heverova 191

Rovinná a prostorová napjatost

Tutoriál programu ADINA

P R O M Í T Á N Í. rovina π - průmětna vektor s r - směr promítání. a // s r, b// s r,

1.1 Shrnutí základních poznatků

Figurální čísla, Pascalův trojúhelník, aritmetické posloupnost vyšších řádů

Konstruktivní geometrie - LI. Konstruktivní geometrie - LI () Kótované promítání 1 / 44

Drsná matematika III 3. přednáška Funkce více proměnných: Inverzní a implicitně definovaná zobrazení, vázané extrémy

APROXIMACE FUNKCÍ. Jedním ze základních úkolů numerických metod matematické analýzy je studium aproximací

Základy matematiky pro FEK

MATEMATIKA II - vybrané úlohy ze zkoušek v letech

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Nejprve si připomeňme z geometrie pojem orientovaného úhlu a jeho velikosti.

Transkript:

Summer Workshop of Applied Mechanics June 22 Department of Mechanics Facult of Mechanical Engineering Czech Technical Universit in Prague Závislost mír tuhosti laminátové desk na orientaci vrstev a její maimalizace Ing. Tomáš Mareš Ústav mechanik, České vsoké učení technické Strojní fakulta Technická 4 166 7 Praha 6 e-mail: mares@sgi.fsid.cvut.cz Klíčová slova: orientace ortotropních vrstev, laminátová deska, míra tuhosti desk Abstract Optimálním se na různých místech míní různé. V našem případě buď optimální orientací vláken laminátové desk taková orientace vláken jednotlivých vrstev této desk, při níž níže definovaná míra poddajnosti D dosáhne svého minima (příslušná míra tuhosti ted dosáhne svého maima). Míru poddajnosti D definujeme vztahem D = w(, ) q(, ) dd, ω kde ω je průmět desk ležící v rovině do této rovin, w(, ) je průhbová plocha střední vrstv desk a q(, ) je funkce vjadřující příčné zatížení v místě (, ) vztažené na jednotku ploch. Uvažujme laminátovou desku po obvodě prostě podepřenou složenou z 2N ortotropních vrstev, jejíž vrstv o dané tloušťce mají orientaci vláken shodnou s vrstvou ležící v poloze smetrické dle střední rovin. (Takřečená smetrická laminátová deska.) Sousední vrstv jsou vzájemně dokonale spojen hranice mezi sousedními vrstvami je nekonečně tuhá, deformace je napříč hraniční plochou spojitá. Dále uvažujme splnění předpokladů z Kirchhoffov teorie desek a klasický konstitutivní vztah 129

Závislost mír tuhosti laminátové desk na orientaci vrstev Obrázek 1: Uvažovaná laminátová deska složená z 2N = 2 3 ortotropních smetrick kladených vrstev laminátové vrstv vjádřený v souřadném sstému položeném do hlavních ortotrotropních směrů 1 výrazem σ11 ν Q 11 Q 12 ε ν σ22 ν 11 = Q 12 Q 22 ε ν σ12 ν 22, 2G 12 ε ν 12 kde (, 2,..., N) udává pořadí vrstv od střední ploch desk. Shora slovně vřčenou optimalizační úlohu lze při vužití tenzorového počtu, vět o minimu poteciální energie, Variačního počtu, vět o Lagrangeových multiplikátorech, kolokační metod a jisté dávk fantazie formalizovat ve tvaru matematické etremální úloh kde kde dále K,L {ê ν, ŵ kl } = arg min Q kl = ω K,L e ν,w kl W k,l=1 q(, ) sin kπ a lπ sin b w kl Q kl, dd, W = {e ν (, 2,..., N), w kl (k = 1, 2,..., K) (l = 1, 2,..., L) N k,l=1 ν=1 1 Srvn. [2] s. 53. ( ζ ν (1 e 2 ν) 2 P kl ij 1 + ζ ν e ν (1 e 2 ν) 3/2 P kl ij 2 + ζ ν e 2 ν(1 e 2 ν)p kl ij 3 + ) +ζ ν e 3 ν(1 e 2 ν) 1/2 P kl ij 4 + ζ ν e 4 νp kl ij 5 w kl = q( i, j )}, ζ 3 (z3 ν z 3 ν 1) 13

Závislost mír tuhosti laminátové desk na orientaci vrstev (při čemž význam smbolu z ν je patrný z hořejšího obrázku), i, i (i = 1, 2,..., I), (j = 1, 2,..., J) jsou kolokační bod a Pm kl ij (m = 1, 2,..., 5) jsou známá čísla, jejichž velikost závisí na příslušných zadaných podmínkách. Hledané veličin e ν (, 2,..., N) představují sinovou hodnotu úhlu orientace ν-té vrstv, ted e ν = sin α ν (α ν π, π ) a w 2 2 kl představuje prvních K L koeficientů Fourierov řad příslušné funkci průhbové ploch střední vrstv laminátové desk w(, ) = K,L k,l=1 w kl sin kπ a lπ sin b. Při vužití metod genetických algoritmů a geometrického programování bl ve dvou variantách úloh získán v předkládané práci citované výsledk. 1 Výpočtové závěr Získané výsledk jsou shrnut ve dvou následujících sloupcích, kde výsledk příslušné jednomu zadání leží v levém sloupci a výsledk příslušné druhému zadání ve sloupci pravém. Na obrázku 2 nacházejícím se za tabulkou hodnot zadání je grafick znázorněn průběh příčného spojitého zatížení uvažované desk. V druhém řádku obrázků, ted na obrázku 3 je grafick znázorněna orientace vláken jednotlivých vrstev příslušejících desce vkazující maimální míru tuhosti. V dalších dvou skupinách obrázků (na obrázcích 4 a 5) jsou znázorněn další variant řešení s touže mírou tuhosti, jako je v případě desek s orientací dle obrázku 3. Obrázek 6 pak schematick znázorňuje průběh průhbové ploch střední vrstv příslušné prostě podepřené desk. Obrázek 7 zobrazuje řešení úloh se zadáním jako v druhém případě s tím rozdílem, že tentokrát uvažujeme laminát složený ze 4 vrstev. Zadání prvé Zadání druhé ζ ν = 5 mm 3 (pro všechn vrstv shodná) ζ ν = 5 mm 3 a = 1 mm rozměr desk ve směru os a = 1 mm b = 1 mm rozměr desk ve směru os b = 5 mm I = 11 počet kolokačních bodů ve směru os I = 11 J = 11 počet kolokačních bodů ve směru os J = 11 N = 3 počet dvouvrstev smetrického laminátu N = 3 Materiálové charakteristik Kevlar-Epo kompozitu uvažované pro obě zadání: E 1 = 76 MPa ν 21 = ν 12 E 2 /E 1 E 2 = 55 MPa Q 11 = E 1 /(1 ν 12 ν 21 ) G 12 = 23 MPa Q 22 = E 2 /(1 ν 12 ν 21 ) ν 12 =.34 Q 12 = ν 12 E 2 /(1 ν 12 ν 21 ). 131

2 Závěr Závislost mír tuhosti laminátové desk na orientaci vrstev Získané výsledk ukazují, že přes odbourání požadavku vrovnanosti uvažované laminátové desk výsledný návrh s největší mírou tuhosti spadá do tříd vrovnaných laminátů. Tento výsledek autoři považují za významný z toho důvodu, že při běžných návrhových a optimalizačních výpočtech ulehčí zavedení předpokladu vrovnanosti výpočtovou námahu. 1 8 6 4 2 q = [N/mm 2 ] 5 4 3 2 1 q = [N/mm 2 ] 2 4 6 [mm] 8 1 2 4 6 [mm] 8 1 1 2 3 [mm] 4 5 2 4 6 [mm] 8 1 (a) V případě zadání prvého (b) V případě zadání druhého Obrázek 2: Průběh daného příčného spojitého zatížení q(, ) = [N/mm 2 ] = 45 α 2 = 45 α 1 = 45 = 75 α 2 = 75 α 1 = 75 (a) V případě zadání prvého (b) V případě zadání druhého Obrázek 3: Grafické znázornění orientace vláken jednotlivých vrstev 132

Závislost mír tuhosti laminátové desk na orientaci vrstev = 45 = 45 α 2 = 45 α 1 = 45 α 2 = 45 α 1 = 45 (a) Druhé možné řešení prvého zadání (b) Třetí možné řešení prvého zadání Obrázek 4: Grafické znázornění orientace vláken jednotlivých vrstev vkazující shodnou míru příčné tuhosti desk z prvého zadání jako řešení z obrázku 2 = 75 α 2 = 75 α 1 = 75 = 75 α 2 = 75 α 1 = 75 (a) Druhé možné řešení prvého zadání (b) Třetí možné řešení prvého zadání Obrázek 5: Grafické znázornění orientace vláken jednotlivých vrstev vkazující shodnou míru příčné tuhosti desk z druhého zadání jako řešení z obrázku 2 Poděkování Tato práce vznikla za podpor grantu GAČR 16/2/612 133

Závislost mír tuhosti laminátové desk na orientaci vrstev w(, ) w(, ) 2 4 6 [mm] 8 1 8 1 6 4 [mm] 2 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 [mm] 8 1 6 4 [mm] 2 (a) V případě zadání prvého (b) V případě zadání druhého Obrázek 6: Deformovaný tvar průhbové ploch daný funkcí w(, ) α 4 ν = 4 α 4 = 75 = 75 α 2 = 75 α 1 = 75 Obrázek 7: Grafické znázornění orientace vláken jednotlivých vrstev čtřvrstvého laminátu s dalším zadáním dle zadání druhého Literatura [1] Aleejev, V. M., Tichomirov, V. M., Fomin, S. V.: Matematická teorie optimálních procesů. Praha, Academia 1991. [2] Gürdal, Z., Haftka, R. T., Hajela, P.: Design and Optimization of Laminated Composite Materials. New York, John Wile & Sons 1999. [3] Goldberg, D. E.: Genetic Algorithms in Search, Optimization, and Machine Learning. Addison-Wesle Publ. Co. 1989. [4] Rektors. K.: Přehled užité matematik, I. a II. díl. Praha, Prometheus 1995. [5] Vitásek, E.: Numerické metod. Praha, SNTL 1987. 134

Závislost mír tuhosti laminátové desk na orientaci vrstev [6] Washizu, K.: Variational Methods in Elasticit nad Plasticit. 2nd ed. Oford, Pergamon Press 1975. (Ruský překlad: Variacionnje metod v teorii uprugosti i plastičnosti. Moskva, Mir 1987.) [7] Wilde, D. J.: Globall Optimal Design. New York, John Wile & Sons 1978. 135