Nelineární analýza materiálů a konstrukcí (V-132YNAK)

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

Nelineární analýza materiálů a konstrukcí (V-132YNAK) Přednáška 2 Princip metody konečných prvků

Tutoriál programu ADINA

Pružnoplastická analýza

Pružnost a pevnost. 2. přednáška, 10. října 2016

OTÁZKY K PROCVIČOVÁNÍ PRUŽNOST A PLASTICITA II - DD6

Pružnost a pevnost. zimní semestr 2013/14

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

Pružnost a plasticita II CD03

Nelineární úlohy při výpočtu konstrukcí s využitím MKP

Téma 7 Smyková napětí v ohýbaných nosnících

2.13 Rovinný obloukový nosník zatížený v rovině = staticky určitě podepřený rovinný obloukový prut

Systém vztahů obecné pružnosti Zobecněný Hookeův zákon

* Modelování (zjednodušení a popis) tvaru konstrukce. pruty

Přednáška 09. Smyk za ohybu

6.3 Momenty setrvačnosti a deviační momenty rovinných obrazců. yda. 1) I y, I z > 0. 2) I y, I z závisí na vzdálenosti plochy od osy II I I I I

Vnitřní síly v prutových konstrukcích

Vícerozměrné úlohy pružnosti

Smyková napětí v ohýbaných nosnících

Ohyb nastává, jestliže v řezu jakožto vnitřní účinek působí ohybový moment, tj. dvojice sil ležící v rovině kolmé k rovině řezu.

FAKULTA STAVEBNÍ NELINEÁRNÍ MECHANIKA. Telefon: WWW:

Normálová napětí v prutech namáhaných na ohyb

Rovnoměrně ohýbaný prut

Vícerozměrné úlohy pružnosti

Katedra geotechniky a podzemního stavitelství

Pružnost a pevnost I

1 Ohyb desek - mindlinovské řešení

6.1 Shrnutí základních poznatků

5. Ohýbané nosníky Únosnost ve smyku, momentová únosnost, klopení, MSP, hospodárný nosník.

TENSOR NAPĚTÍ A DEFORMACE. Obrázek 1: Volba souřadnicového systému

Nelineární problémy a MKP

Pružnost a plasticita CD03

Katedra geotechniky a podzemního stavitelství

Zjednodušený 3D model materiálu pro maltu

ZÁKLADNÍ POJMY A VZTAHY V TECHNICKÉ PRUŽNOSTI

2.2 Mezní stav pružnosti Mezní stav deformační stability Mezní stav porušení Prvek tělesa a napětí v řezu... p03 3.

PRUŽNOST A PEVNOST II

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

Zjednodušená deformační metoda (2):

PRUŽNOST A PLASTICITA I

Stavební mechanika 01 (K132SM01)

Nelineární analýza materiálů a konstrukcí (V-132YNAK) Metoda konečných prvků 2

( ) Podmínka plasticity: σ σ 0. Podmínky plasticity. Podmínky plasticity. Podmínky plasticity. = σ = σ. f σ σ σ

SMA2 Přednáška 09 Desky

Základy matematické teorie pružnosti Tenzor napětí a tenzor deformace Statické (Cauchyho) rovnice. Geometrické rovnice

Přednáška 08. Obecná trojosá napjatost

T leso. T leso. nap ě tí na prostorovém elementu normálové - působí kolmo k ploše smykové - působí v ploše

Přednáška 01 PRPE + PPA Organizace výuky

Obecný Hookeův zákon a rovinná napjatost

FAKULTA STAVEBNÍ. Telefon: WWW:

ÚSTAV MECHANIKY A MATERIÁLŮ FD ČVUT. DOC. ING. MICHAL MICKA, CSc. PŘEDNÁŠKA 4

SIMULACE V KONFEKČNÍ VÝROBĚ S VYUŽITÍM METODY KONEČNÝCH PRVKŮ (MKP, FEM)

Rozdíly mezi MKP a MHP, oblasti jejich využití.

Příklad oboustranně vetknutý nosník

Obr. 0.1: Nosník se spojitým zatížením.

Numerické metody. Numerické modelování v aplikované geologii. David Mašín. Ústav hydrogeologie, inženýrské geologie a užité geofyziky

ANALÝZA KONSTRUKCÍ. 5. přednáška

Kontraktantní/dilatantní

ČVUT UPM 6/2013. Eliška Bartůňková

Inkrementální teorie plasticity - shrnutí

Aktuální trendy v oblasti modelování

BETONOVÉ KONSTRUKCE B03C +B03K SKOŘEPINOVÉ KONSTRUKCE. Betonové konstrukce B03C +B03K. Betonové konstrukce - B03C +B03K

Nauka o materiálu. Přednáška č.5 Základy lomové mechaniky

Učební pomůcka Prof.Ing. Vladimír Křístek, DrSc. Ing. Alena Kohoutková, CSc. Ing. Helena Včelová. Katedra betonových konstrukcí a mostů

Integrální definice vnitřních sil na prutu

Cvičení 7 (Matematická teorie pružnosti)

ÚVOD DO MODELOVÁNÍ V MECHANICE

Statika 2. Excentrický tlak za. Miroslav Vokáč 6. prosince ČVUT v Praze, Fakulta architektury. Statika 2. M.

5 Úvod do zatížení stavebních konstrukcí. terminologie stavebních konstrukcí terminologie a typy zatížení výpočet zatížení od vlastní tíhy konstrukce

Stavební mechanika 3 132SM3 Přednášky. Deformační metoda: ZDM pro rámy s posuvnými styčníky, využití symetrie, výpočetní programy a kontrola výsledků.

Typy nelinearit. jen v tahu (jen v tlaku), pružnost, plasticita, lomová mechanika,... ), geometrická nelinearita velká posunutí, pootočení.

Katedra geotechniky a podzemního stavitelství

Pružnost, pevnost, plasticita

Rovinná a prostorová napjatost

Náhradní ohybová tuhost nosníku

Téma 1 Úvod do předmětu Pružnost a plasticita, napětí a přetvoření

Mechanika s Inventorem

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

SLOUP NAMÁHANÝ TLAKEM A OHYBEM

Platnost Bernoulli Navierovy hypotézy

Platnost Bernoulli Navierovy hypotézy

PŘÍKLAD VÝPOČTU RÁMU PODLE ČSN EN

Kritéria porušení laminy

Přednáška 1 Obecná deformační metoda, podstata DM

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

Summer Workshop of Applied Mechanics

Dvě varianty rovinného problému: rovinná napjatost. rovinná deformace

Prvky betonových konstrukcí BL01 3. přednáška

Pružnost a pevnost (132PRPE) Písemná část závěrečné zkoušky vzorové otázky a příklady. Část 1 - Test

Martin NESLÁDEK. 14. listopadu 2017

Pružnost a pevnost (132PRPE), paralelka J2/1 (ZS 2015/2016) Písemná část závěrečné zkoušky vzorové otázky a příklady.

3.1 Shrnutí základních poznatků

Zde je uveden abecední seznam důležitých pojmů interaktivního učebního textu

Přetváření a porušování materiálů

10. Elasto-plastická lomová mechanika

ÚVOD DO TEORIE MATEMATICKÉ PRUŽNOSTI

Prvky betonových konstrukcí BL01 3. přednáška

TENKOSTĚNNÉ A SPŘAŽENÉ KONSTRUKCE

Autor: Vladimír Švehla

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

Transkript:

Nelineární analýa materiálů a konstrukcí (V-132YNAK) Volitelný předmět 1+1, Vučuje: prof. Ing. Petr Kabele, Ph.D. místnost B328, tel: 4485, e-mail: petr.kabele@fsv.cvut.c Návanost na předmět Přetváření a porušování materiálů (PPM) Cíle: vkoušet si použití modelů ohledňujících nelineární přetváření a porušování materiálů při řešení praktických inženýrských úloh senámit se s praktickým použitím víceúčelových programů aložených na MKP pro řešení pokročilých úloh mechanik Hodnocení: ápočet na ákladě vpracovaných protokolů projektů a preentace výsledků 1

Témata : 1. Opakování ákladů mechanik kontinua (pevných těles) 2. Princip MKP, ukáka na 1-D úloe 3. Program MKP a jejich struktura pohledu uživatele, ákladní operace v programu ADINA 4. Tp a volba prvků Algoritm řešení materiálově nelineárních úloh v MKP 2

Projekt 1: Plasticita plasticita při víceosé napjatosti Projekt 2: Viskoelasticita tráta předpětí ŽB prvku v důsledku dotvarování 3

Projekt 3: Lomová mechanika určení faktoru intenit napětí pomocí MKP 4

Organiace výuk výuka v počítačové učebně B373: správce učebn doc. P. Fajman (B324) přihlašování na počítačích přes doménu CVUTFSV účt spravuje p. Valda (B257a) případně RNDr. Pultar (B103a) učebnu možno vužívat i mimo dobu výuk (klíč na vrátnici) studentská vere programu ADINA 900 nodes (www.adina.com) k volnému použití na vlastním PC (Windows) Literatura: Jirásek, Zeman: Přetváření a porušování materiálů, ČVUT 2006 manuál programu ADINA (PDF součástí instalace) Bathe, Finite Element Procedures, Prentice Hall 1996 5

Opakování áklad mechanik Co je to mechanika? Nauka o chování těles vstavených působení sil. de chováním roumíme: přemístění, měn tvaru a objemu (přetváření), porušování, pohb,... 6

Metoda mechanik Fická úloha modelování Matematická úloha řešení Požadovaný výsledek tvar konstrukce, materiál, atížení soustava rovnic, okrajové a počáteční podmínk predikce/reprodukce přemístění, přetvoření, napjatosti, porušení,... Equilibrium equations (3 equations) Kinematic equations (6 equations) Constitutive equations (6 equations) 7

Modelování: idealiace/jednodušení fické úloh YNAK identifikace jevů, které má analýa popsat (únosnost, porušení,...) definice veličin popisujících působení atížení, jeho přenášení v konstrukci a následné chování konstrukce (síla, přemístění, napětí, deformace,...) SM1, SM2, PP, SM3, PPM,... definice vtahů mei těmito veličinami: vcháí obecně platných fikálních ákonů a aiomů (ákon achování energie, hmot, hbnosti, ákon síl,...) SM1, SM2, PP, SM3, PPM,... volba materiálového modelu (elasticita, plasticita, poškoení,...) jednodušení geometrie a avedení kinematických předpokladů (2-D, 3-D, nosník, deska,...) vjádření účinků atížení (statické/dnamické, matematické vjádření atížení, kombinace atížení) 8

Řešení analtické metod (přímé řešení řídících diferenciálních rovnic, metoda Airho funkce,...) řešení v uavřeném tvaru poue pro určité případ numerické metod (metoda konečných prvků MKP [finite element method - FEM], metoda diskrétních prvků MDP [discrete element method DEM], metoda hraničních prvků MHP [boundar element method BEM],...) obecné pro jakékoliv geometrie, atěžovací stav, materiálové model SM1, SM2, PP, SM3, PPM, YPM1... 9

Základ mechanik pevných těles (solid mechanics) Cíl: ustavit rigoróní matematický popis mechanického stavu pevných těles Předpoklad: pevné těleso kontinuum (solid continuum) kontinuita, homogenita (neuvažujeme strukturu materiálu [meo, mikro, nano,...]) Základní proměnné (pole) popisující mechanický stav tělesa: síl a napětí (force and stress) přemístění a deformace (displacement and deformation) 10

Základní veličin mechanik pevných těles vnější síl: povrchové (surface forces) f = { f, f, f } T objemové (volume forces) b = { b, b, b } T přemístění (displacement) u = { u, u, u } T statické rovnice/ podmínk rovnováh geometrické rovnice/ podmínk kompatibilit vnitřní síl: napětí (stress) konstitutivní/ fikální/ materiálové rovnice deformace/přetvoření (strain) 11

Základní řídící rovnice mechanik pevných těles Statické rovnice (3 rovnice) σ τ τ b = 0 τ σ τ b = 0 τ τ σ b = 0 τ = τ, τ = τ, τ = τ u u u 2 u u u 2 u u u 2 Geometrické rovnice (6 rovnic),, Pon.:,,... inženýrská deformace (engineering strain) Fikální rovnice (6 rovnic) T,,,,,,,,,, T 12

Fikální rovnice vi PPM rovnice mohou mít roličnou formu, např. iotropní lineární elasticita: σ = Deε E 1 11 2 σ t = De ε t iotropní viskoelasticita: t (... relaační operáror) 1 t t t 11 2 E 21 t 21 t plasticita: σ = D ε ep 13

Úloha mechanik určete pole přemístění, přetvoření a napětí v dané doméně vtah mei veličinami jsou dán řídícími rovnicemi soustava parciálních diferenciálních rovnic pro funkce u(,, ), (,, ), (,, ) pro jednonačné řešení je třeba definovat okrajové podmínk v každém bodě hranice: kinematickéu u ( u 0) na S u statické nσ f ( nσ 0) na S t (speciální) nσ f nσ 0 b S t u u S u úloha s okrajovými podmínkami (boundar value problem) 14

Úloha s okrajovými podmínkami u, v, w T Du b 0 u nσ silný tvar (strong form) u t on on S S u t b, b, b okrajové podmínk (boundar conditions) 15

Úloha mechanik nelineární materiál nelinearita konstitutivních rovnic úlohu obecně nele řešit poue pro jeden okamžik, řešíme ji jako sekvenci po sobě jdoucích stavů splňujících řídící rovnice hledáme vývoj (historii) pole přemístění, deformace a napětí v dané doméně u(,,, t), (,,, t), (,,, t) t nσ f nσ 0 bt okrajové podmínk definujeme jako historii předepsaných hodnot (funkce v čase): kinematické u u statické nσ f t (speciální) t u u t řešení v čase integrace... nutno definovat i počáteční podmínk (pole u(,,, t 0 ), (,,, t 0 ), (,,, t 0 ) ), které jsou souladu s řídícími rovnicemi a okrajovými podmínkami 16

2-D úloh V mnoha inženýrských úlohách je možné avést jednodušení redukováním dimene 3-D do 2-D, např. Rovinná napjatost (plane stress) Předpoklad: tenká rovinná konstrukce (např. stěna) všechna atížení působí v rovině konstrukce pak = = = 0 σ 0 0 0 0 0 ε 0 0 0 0 2 2 17

fikální vtah (iotropní elastické kontinuum) 1 0 E 1 0 2 1 1 0 0 2 1 0 1 1 0 E 0 0 21 E 1 18

Rovinná deformace (plane strain) Předpoklad: velice dlouhá konstrukce s konstantním tvarem a velikostí příčného řeu (např. opěrná stěna, tunel) všechna atížení působí ve směru rovnoběžném s příčným řeem všechna atížení jsou konstantní po délce konstrukce Pak můžeme analovat poue tpický příčný ře, pro který platí = = = 0 0 0 0 ε 0 2 0 2 σ 0 0 0 0 19

20 fikální vtah (iotropní elastické kontinuum) 1 0 E 1 0 1 1 2 1 2 0 0 2 1 0 1 1 0 E 0 0 2 20

Osová smetrie (aial smmetr) Předpoklad: osově smetrická konstrukce (např. sloup) všechna atížení jsou osově smetrická Pak je výhodné vjádřit napětí, deformace, síl a posun v clindrických souřadnicích r--q a r q analovat tpickou výseč, pro kterou platí rq = q = 0 ε r r 2 r 2 0 0 0 0 q σ r r r 0 0 0 0 q r 21

fikální vtah (iotropní elastické kontinuum) 1 0 r r 1 0 E 1 0 q 11 2 q 1 2 r 0 0 0 rq 2 22

Jednoosá napjatost (uniaial stress state) předpoklad: 0, 0 0 ale 0 0, 0, 0 23

Ohb rovinného prutu (planar beam bending) l m n t předpoklad: l >> než ostatní roměr m n tm mn t lineární průběh po výšce průřeu 0 24

Modelování materiálů jako homogenní kontinuum složitý materiál se strukturou (mikro, meso,..) ekvivalentní kontinuum P σ D ε P σ D ε = u abchom ajistili ekvivalenci: σ ε D = makroskopické napětí a = makroskopická deformace na repreentativním objemovém elementu (representative volume element - RVE) σ ε 1 V 1 V V V σ ε dv dv u 25

Repreentativní objemový element (RVE) Dostatečně velký, ab obsahoval mnoho nehomogenit materiálu (velikost s ohledem na strukturu materiálu meso, mikro,...) Dostatečně malý, ab průběh makroskopického napětí a deformace uvnitř RVE blo možno považovat a rovnoměrné (velikost s ohledem na analovaný detail konstrukce) 26

~30 cm Příklad RVE: dřevo konstrukce průběh napětí ve výnamném detailu konstrukce... O(m -2 ) 5 cm struktura materiálu O(m -3 ) RVE 27

Příklad RVE: kámen konstrukce průběh napětí ve výnamném detailu konstrukce... O(m -2 ) struktura materiálu... O(m -4 ~m -3 ) 2 cm RVE 28

Příklad RVE: beton konstrukce průběh napětí ve výnamném detailu konstrukce... O(m -1 ) struktura materiálu... O(m -3 ~m -2 ) 5 cm ~0.5 m RVE 29

Příklad RVE: divo konstrukce průběh napětí ve výnamném detailu konstrukce... O(m) struktura materiálu... O(m -1 ) 0.5 m ~1.5 m RVE 30

Příklad RVE: divo ALE konstrukce průběh napětí ve výnamném detailu konstrukce... O(m -1 ) struktura materiálu... O(m -1 ) 0.1 m ~1.5 m RVE 31

~1 m Příklad RVE: heterogenita v důsledku poškoení Heterogenita může být nejen důsledkem struktur materiálu, ale může být vvolána vnikem trhlin, poškoením ap.... např. vláknocementové kompoit se pevněním (strain-hardening cementitious composite) konstrukce průběh napětí ve výnamném detailu konstrukce... O(m -1 ) struktura poškoeného materiálu... O(m -2 ) 10-2 m RVE 32

Modelování materiálů jako homogenní kontinuum - ávěr Většina stavebních materiálů má heterogenní strukturu (i na více úrovních rolišení) To, da můžeme modelovat heterogenní materiál jako ekvivalentní kontinuum ávisí na velikosti největších heterogenit struktur materiálu a nejmenšího analovaného detailu konstrukce V mnoha praktických úlohách stavebního inženýrství můžeme modelovat materiál jako homogenní kontinuum 33

Identifikace materiálových charakteristik Přímé měření na RVE V S Pomocí Gaussova teorému, le převést integrál přes objem na integrál přes povrch ohraničující tento objem: makroskopické napětí: 1 1 σ σ( ) dv t( ) ds V V V S makroskopická deformace: n n V S ε 1 V V 1 1 V 2 S ε( ) dv T u( ) n( ) n( ) u( ) T ds 34

Uvažme koušku v jednoosém tlaku l thickness b a 1 (,, ) t l l ds abl S P ab... povrchová síla na kontaktu atěžovacích desek a vorku nemusí být rovnoměrná (nehomogenit) 1 u (0,, ) 1 u ( l,, ) 1 ds abl S 1 u( l) u(0) ab abl u ( l) u (0)... rovnoměrný posun atěžovacích desek l Pak makroskopický modul pružnosti: E Ab tato metoda bla použitelná, vorek musí být repreentativním objemem materiálu, t.j. musí být mnohem větší než největší nehomogenita a musí obsahovat velký počet nehomogenit 35

Matematická či numerická homogeniace vlastností jednotlivých složek materiálové charakteristik jednotlivých složek jsou eperimentálně jištěn vtah mei makroskopickým napětím a deformací jsou odvoen pomocí matematické či numerická homogeniace 36

Cvičení 1: Uvažujme vorek lineárně elastického iotropního materiálu, který bl vstaven předepsanému přemístění před přemístěním po přemístění (protilehlé stran ůstávají rovnoběžné) 0.2 m 0.206 m 0.1 m 0.097 m 0.005 m a) S uvážením, že přetvoření vorku je rovnoměrné v celém objemu, vpočítejte všechn jeho nenulové složk. b) Uvažujte rovinnou napjatost a E=2 GPa a =0.3. Vpočítejte přetvoření a všechn nenulové složk napětí. c) Načrtněte atížení, které mohlo daný stav vvolat. d) Vpočítejte hlavní napětí a jeho směr. Výsledek načrtněte. 37

Další literatura: Y. C. Fung & P. Tong: Classical and Computational Solid Mechanics, World Scientific Publishing, 2001 I. Shames & C. Dm: Energ and Finite Element Methods in Structural Mechanics, Talor & Francis, 1991 W. F. Chen: Plasticit in Reinforced Concrete, McGraw-Hill, 1982 J. Lemaitre & J.-L. Chaboche: Mechanics of Solid Materials, Cambridge Universit Press, 2000 38

Tento dokument je určen výhradně jako doplněk k přednáškám a cvičením předmětu Nelineární analýa materiálů a konstrukcí pro student Stavební fakult ČVUT v Prae. Dokument je průběžně doplňován, opravován a aktualiován a i přes veškerou snahu autora může obsahovat nepřesnosti a chb. Datum poslední aktualiace: 17.2.2014 39