Wytrzymałość i stateczność konstrukcji trójwarstwowej pudła

Sulejówek, 21 października 2014
Prof. Dr hab. Inż. Jerzy Madej
Instytut Pojazdów Szynowych TABOR
[email protected]
Recenzja rozprawy doktorskiej mgr. Inż. Marcina Krusia,
„Wytrzymałość i stateczność konstrukcji trójwarstwowej pudła wagonu osobowego”
1. Przedmiot recenzji
Niniejsza recenzja została opracowana na zlecenie Dziekana Wydziału Maszyn Roboczych i
Transportu Politechniki Poznańskiej z dnia 30 września 2014.
Rozprawa doktorska mgr. Inż. Marcina Krusia zawiera 78 stron maszynopisu o formacie A4, wraz z
wykazem 85 pozycji literatury.
2. Merytoryczne kompetencje Autora
Pośród cytowanych (w wyż. wym. wykazie) prac Autora rozprawy, znajduje się 11 współautorskich
artykułów i opracowań, wykonanych w latach 2011-2013. Pośród opracowań już opublikowanych,
dwie zostały zaprezentowane w języku angielskim. Jedna w Seulu (2011) na Światowym Kongresie
Postępu w Inżynierii Budowlanej i Mechanice, (World Congress on Advances in Structural Engineering
and Mechanics), druga zaś (2013) w czasopiśmie naukowym poświęconym Mechanice Teoretycznej i
Stosowanej (Journal of Theoretical and Applied Mechanics). Cztery opracowania naukowo techniczne
o charakterze wewnętrznym (spośród wspomnianych 11) nie zostały opublikowane. Pozostałych 5
prac opublikowano drukiem w języku polskim.
Zarówno dotychczasowy publikacyjny dorobek Autora rozprawy jak też studia literaturowe,
starannie omówione we wstępie i uwierzytelnione w poszczególnych rozdziałach merytorycznych,
stanowią o wysokim stopniu opanowania rozległej wiedzy i umiejętności pracy naukowej.
3. Teza, cel i zakres rozprawy
Rozprawa została opracowana według następującego celu ukierunkowanego praktycznie, zgodnie
następującą tezą przewodnią:
„Zastąpienie klasycznej konstrukcji szkieletowej nadwozia wagonu osobowego konstrukcją
wielowarstwową z rdzeniem trapezowym spowoduje znaczne zmniejszenie masy pudła”.
Zakres rozprawy ukierunkowano na udowodnienie tezy przy zastosowaniu nowoczesnych narzędzi
analitycznych i obliczeniowych i techniczne uwiarygodnienie praktycznej wykonalności obiektu.
4. Wybór obiektu do badań szczegółowych
Historycznie, w budowie obiektów i naczyń transportowych, pod względem strukturalnym,
występowała - i nadal występuje - ogromna rozmaitość przestrzennych struktur ładunkowych oraz
nośnych, począwszy od struktur „czysto” szkieletowych (jak np. lawety), aż po „czysto” powłokowe
(jak np. cysterny a także napełniane gazem pontony i balony).
1
Współcześnie, w wielkim gąszczu burzliwie rozwijającej się dziedziny badań wyspecjalizowanych,
przestrzennych struktur nośnych, w szczególności pojazdowych, niemal zawsze występują więc
struktury mieszane, zawierające składowe elementy: homogeniczne i niehomogeniczne, izotropowe
jak też anizotropowe, laminaty, kompozyty, … rdzeniowe … wielokonturowe (przekroje belek) …
użebrowane, porowate itp. Wobec ogromnej ich różnorodności klasyfikacyjne uporządkowanie
struktur mieszanych jest stale przed nami.
Szczególnie wielka różnorodność struktur nośnych występuje w transporcie lądowym, gdyż na ogół są
to struktury mieszane, szkieletowo - powłokowe. Współcześnie, w budowie nowoczesnego taboru
pasażerskiego zasadniczo nie spotyka się już nośnych struktur „nieskazitelnie” jednorodnych. Jako
modelowo jednorodne, z określonym przybliżeniem, mogą być traktowane tylko elementy złożonych
struktur mieszanych. Współczesne struktury nośne, oprócz wytrzymałościowych wymagań
niezbywalnych, muszą bowiem spełniać kryteria trwałości, podatności naprawczej, wibroizolacji,
termoizolacji a nawet estetyki.
Autor rozprawy, podejmując temat, musiał się uporać z tymi kontrowersyjnymi zagadnieniami i zrobił
to racjonalnie.
Dlatego niżej podpisany z aprobatą przyjmuje dokonany przez Autora rozprawy arbitralny wybór
kolejowego obiektu do badań szczegółowych w postaci wagonu pasażerskiego. Jest to bowiem
wybór racjonalny i użyteczny.
W nowoczesnym procesie projektowym wszystkich rodzajów nośnych struktur mieszanych dla
środków transportu (lądowego, wodnego i powietrznego) o możliwie małej masie własnej, dzięki
współcześnie rozwiniętej technice obliczeniowej, niejako z zasady uwzględnia się „interakcyjny” fakt
bezsporny, że każda statycznie stateczna struktura szkieletowa „pożycza sobie” cząstkę sztywności od
powłoki, zaś dynamika powłok wywiera zmęczeniowy wpływ zmęczeniowy na szkielet, zwłaszcza w
obrębie połączeń. Dzięki połączeniu wyspecjalizowanych technik obliczeniowych z rozwiniętą
technologią wykonania uzyskujemy wysokie parametry użytkowe pojazdów transportowych.
Omawiana rozprawa, zgodnie z jej celem, w należytym stopniu uwzględnia tę złożoną techniczną
rzeczywistość. Współcześnie rozwojowy zakres burzliwej rzeczywistości zapewne będzie tematem
dalszych prac Autora.
Zgodnie z celem i wyżej sformułowaną tezą, rozprawa dotyczy dość wąsko wyspecjalizowanego
obiektu technicznego, co w przypadku dysertacji ukierunkowanej na zdobycie stopnia naukowego
doktora nauk technicznych, jest w pełni uzasadnione.
Wszelako znacznie w szczegółach zróżnicowane wagony pasażerskie stanowią obiekty dające się
strukturalnie pogrupować modelowo w użytkowe grupy o znacznym podobieństwie konstrukcyjnym,
dynamicznym i wytrzymałościowym. W grupie wagonów pasażerskich normalnotorowych (UIC),
liczba czteroosiowych wagonów wózkowych o strukturze szkieletowej jest obecnie liczbowo
przytłaczająca - i jako taka - jest najbardziej reprezentatywna. Zatem rozwojowe skoncentrowanie się
Autora na tego rodzaju obiektach traktuję jako uzasadnione. Albowiem długowieczne wagony
pasażerskie są pojazdami podlegającymi wielokrotnym naprawom i modernizacjom, co uzasadnia
szczegółowe zajęcie się ich poszyciem. Wymiana poszycia w okresowym procesie naprawczym i
zarazem modernizacyjnym daje realną możliwość zmniejszenia ich masy przy równoczesnym
zachowaniu wytrzymałości i polepszeniu izolacji cieplnej oraz dźwiękochłonności a zrazem
2
bezpieczeństwa pasażerów. Nowoczesne poszycia wielowarstwowe wyróżniają się bowiem wysoką
energochłonnością przy odkształceniach kolizyjnych.
Pragnę więc stwierdzić, że dokonany przez Autora wybór obiektu do badań szczegółowych jest
racjonalny i aplikacyjnie użyteczny. Dotyczy bowiem zarówno budowy wagonów nowych, jak i
modernizacji remontowej.
5. Zakres i metodyka realizacji zadania naukowego
Przedmiotem szczegółowych badań Autora jest wagon pasażerski o nośnej strukturze mieszanej, w
której występują zarówno szkieletowe elementy ramowe, niekiedy jedynie w postaci szczątkowej, jak
też wielowarstwowa powłoka, łącznie stanowiąc nadwozie nośne, które oprócz obciążeń
pochodzących od ładunku transportowanego, niezbywalnie podlega normatywnym kolejowym
obciążeniom trakcyjnym. Pod dość ogólnikowym pojęciem powłoki wielowarstwowej należy ogólnie
rozumieć zarówno okładzinowe struktury łączone rdzeniowo, jak też wytłaczane (extrusions).
Ze względu na metodyczne zróżnicowanie badawcze elementów struktur mieszanych, Autor, w
oddzielnych rozdziałach, wyodrębnił badania analityczne trójwarstwowej płyty prostokątnej z
rdzeniem trapezowym (w rozdziale drugim), oraz badania numeryczne MES mieszanej struktury
szkieletowej tradycyjnego nadwozia wagonu pasażerskiego z zastosowaniem powłok
trójwarstwowych (w rozdziale trzecim).
Rozdział drugi Autor poświęcił szczegółowo analizie wytrzymałościowych charakterystyk
ortotropowej płyty trójwarstwowej w zakresie: sztywności, rozkładu ugięć poprzecznych, postaci
wyboczeń przy obciążeniach podłużnych i poprzecznych, oraz wyznaczeniu rozkładu naprężeń. Jako
szczególnie wartościowe traktuję wyznaczenie wartości krytycznych sił utraty stateczności płyt w
funkcji geometrycznych parametrów trapezowego rdzenia. Rozdział drugi nosi klasyczne piętno
badań podstawowych, zarówno analitycznych jak też doświadczalnych, łącznie ukierunkowanych na
wyznaczenie reprezentatywnych charakterystyk zastępczych, (w praktyce homogenizacyjnych a przy
tym anizotropowych).
W rozdziale 3 Autor porównawczo posłużył się bazowym modelem szkieletowej struktury wagonu,
kolejno zastępując elementy poszycia elementami trójwarstwowymi. Taka porównawcza metodyka w
naturalny sposób wynika wprost z celowości potwierdzenia tezy rozprawy.
W ten sposób powstały trzy badawcze warianty konstrukcyjne:
(1) - w ścianach bocznych pozostawiono tylko szkieletowe słupki pionowe, zaś poszycie boczne
stanowiły płyty trójwarstwowe. Dach i podłogę pozostawiono bez zmian.
(2) - szkielet ścian bocznych ograniczono do słupków pionowych i pasa dachowego, przy czym także
część środkową dachu wykonano w postaci płyt trójwarstwowych. Podłoga pozostała bez zmian.
(3) - także płytę podłogową, oryginalnie wykonaną z blach trapezowych, zastąpiono płytą
trójwarstwową.
Obliczenia MES Autor wykonał przy wykorzystaniu programu ABAQUS.
Jako szczególnie użyteczne traktuję wyznaczenie rozkładów naprężeń i postaci wyboczenia
poszczególnych wariantów konstrukcyjnych nadwozia przy obciążeniu trakcyjnymi siłami podłużnymi.
3
Metodykę badawczą w zakresie zadania naukowego traktuję jako należycie elegancką, całkowicie
zasadną i poprawną.
6. PODSUMOWANIE I WNIOSEK KOŃCOWY
• Autor w dotychczasowym dorobku publikacyjnym oraz w przedstawionej rozprawie udowodnił
wysoki stopień opanowania rozległej wiedzy i umiejętności pracy naukowej z włączeniem metod
analitycznych oraz nowoczesnych technik obliczeniowych;
• Metodykę badawczą przyjętą przez Autora rozprawy w zakresie realizacji zadania naukowego
traktuję jako całkowicie zasadną i poprawną.
• W wyniku szczegółowych analiz Autor udowodnił postawioną we wstępie tezę naukową.
• Cel rozprawy, stanowiący oryginalne rozwiązanie problemu naukowego, został osiągnięty.
• Przedstawiona do recenzji rozprawa potwierdza oryginalny wkład Autora w badanie wytrzymałości i
statycznej stateczności konstrukcji wielowarstwowych struktur nośnych wagonów pasażerskich przy
posługiwaniu się współczesnymi narzędziami analitycznymi i metodami obliczeniowymi.
Stwierdzam, że specjalnie napisana na ten temat rozprawa, jako spełniająca warunki określone w
Ustawie o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki z dnia
14 marca 2003 roku, ze zmianami z dnia 27 lipca 2005 roku, szczegółowo zaktualizowanymi dnia 11
lipca 2014 roku ustawą o zmianie ustawy „Prawo o szkolnictwie wyższym” oraz innych ustaw, może
stanowić podstawę do ubiegania się o nadanie stopnia naukowego doktora nauk technicznych w
zakresie budowy i eksploatacji maszyn.
Niniejszym stawiam wniosek o dopuszczenie rozprawy do obrony.
4