Mechanika i wytrzymałość materiałów
Transkrypt
Mechanika i wytrzymałość materiałów
Politechnika Gdańska, międzywydziałowy kierunek „INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA” KONSPEKT PRZEDMIOTU PIERWSZEGO POZIOMU STUDIÓW STACJONARNYCH Nazwa przedmiotu Mechanika i wytrzymałość materiałów Skrót: Semestry: Punkty ECTS: IV Rodzaj przedmiotu: Liczba godzin w semestrze: Wykład Semestr IV 30 Strumień/profil: chemia w medycynie X Przedmiot podstawowy Ćwiczenia 15 Laboratorium 15 elektronika w medycynie X Osoba odpowiedzialna za przedmiot: Imię: Jarosław E-mail: [email protected] Projekt Seminarium fizyka w medycynie X Nazwisko: Telefon: MiWM 5 Łącznie 60 informatyka w medycynie X Górski 0583471180 Lokal: 165 GG Cele przedmiotu: Celem przedmiotu jest zapoznanie studentów z wybranymi elementami mechaniki i wytrzymałości materiałów. Podstawy mechaniki będą kontynuacją zagadnień fizyki, jednak większość prezentowanych tematów to nowe elementy wiedzy. Ważnym celem jest przedstawienie zasady funkcjonowania praw rządzących układami mechanicznymi i konstrukcyjnymi, a także pokazanie co się dzieje w obciążonych elementach typu belkowego, tarczowego, płytowego i powłokowego. Zdefiniowanie takich pojęć jak naprężenia, układ sprężysty i uplastycznienie materiału i innych związanych zakresem przedmiotu pozwoli na zrozumienie podstaw projektowania. Zakłada się, że przedstawiane treści kształcenia powinny zachęcać do samodzielnego poszerzania wiedzy z wykorzystaniem udostępnionych w ramach przedmiotu elementów edukacji na odległość. Spodziewane efekty kształcenia - umiejętności i kompetencje: - definiowanie modeli prętów, tarcz, płyt, powłok i elementów masywnych, - budowa schematów statycznych w podstawowych układach prętowych, - umiejętność redukcji dowolnego układu sił do punktu, - definiowanie i wyznaczanie sił wewnętrznych w układach prętowych (belki, ramy, kratownice), - badanie wytrzymałości elementów konstrukcyjnych – rozciąganie i ściskanie, zginanie, ścinanie i skręcanie oraz złożone stany naprężenia układów prętowych, - badanie stateczności prętów, - określenie stanu naprężenia i odkształcenia w stanach dwuwymiarowych (płaski stan odkształcenia i płaski stan naprężenia) oraz związków konstytutywnych, - zastosowanie hipotez materiałowych, - definiowanie zadań brzegowych teorii sprężystości - określanie rozkładów naprężeń w tarczach, płytach, - zastosowanie modeli materiałów lepko-sprężystych, plastycznych i sprężysto-plastycznych, - uzyskanie ogólnej informacji o systemach analizy konstrukcji, - zapoznanie się z przykładami obliczeń inżynierskich za pomocą programów inżynierskich (układy prętowe, tarcze, płyty i powłoki). Karta zajęć - wykład Lp. Zagadnienie Poziom wiedzy umiejętności A B C D E Liczba godzin Politechnika Gdańska, międzywydziałowy kierunek „INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA” 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. Zadania mechaniki i wytrzymałości materiałów w analizie układów i konstrukcji inżynierskich. Pojęcia podstawowe, zasady statyki, momenty siły względem punktu i osi. Redukcja i równowaga układu sił zbieżnych, równoległych, płaskiego i ogólnego układu sił. Środki ciężkości. Tarcie. Klasyczne założenia mechaniki i wytrzymałości materiałów. Klasyfikacje układów (pręty, tarcze, płyty, powłoki i elementy przestrzenne). Rodzaje oddziaływań. Statyczna wyznaczalność i kinematyka płaskich układów prętowych. Wyznaczanie reakcji. Definicja sił wewnętrznych. Wyznaczanie sił wewnętrznych w belkach prostych. Wyznaczanie sił wewnętrznych w ramach, układach złożonych, kratownicach, dźwigarach załamanych w planie. Kombinacja obciążeń. Klasyfikacja zagadnień wytrzymałości materiałów. Pojęcie naprężenia w układach jednoosiowych. Wykres rozciągania i ściskania materiałów (metale, beton). Ściskanie i rozciąganie jednoosiowe. Płaskie stany naprężenia (PSN) i odkształcenia (PSO). Związki konstytutywne. Charakterystyki geometryczne figur płaskich. Zginanie proste. Ścinanie. Skręcanie swobodne, Stateczność pręta. Złożone stany naprężenia. Hipotezy wytrzymałościowe. Elementy teorii plastyczności. Modele ciał lepko-sprężystych, plastycznych i sprężysto-plastycznych. Elementy reologii. Podstawy liniowej teorii sprężystości. Zagadnienia płaskie zadania brzegowego. Pasmo tarczowe. Zginanie walcowe i dwukierunkowe płyt. Układy statycznie niewyznaczalne. Podstawy metody sił i metody przemieszczeń. Ogólna informacja o systemach analizy konstrukcji. Macierzowa metoda przemieszczeń i metoda elementów skończonych. Przykłady obliczeń inżynierskich (układy powierzchniowe -płyty, powłoki, tarcze). Razem: 30 X 2 X 2 X 2 X 2 X 2 X 2 X 2 X X X X 2 2 2 2 X 2 X 2 X 2 X 2 Karta zajęć - ćwiczenia Lp. Zagadnienie wiedzy A 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Lp. B Poziom umiejętności C Przykłady redukcji i równowagi układu sił zbieżnych, równoległych, płaskiego i ogólnego układ sił. Obliczenia środków ciężkości. Wyznaczanie sił wewnętrznych w belkach prostych, ramach, układach złożonych, kratownicach, dźwigarach załamanych w planie. Ściskanie i rozciąganie jednoosiowe. Połączenia elementów konstrukcyjnych (śruby, nity, spawy). Płaskie stany naprężenia i odkształcenia. Związki konstytutywne. Charakterystyki geometryczne figur płaskich. Zginanie proste. Ścinanie w połączeniu ze zginaniem. Skręcanie. Złożone stany naprężenia. Hipotezy wytrzymałościowe. Stateczność prętów Elementy teorii plastyczności. Karta zajęć - laboratorium Zagadnienie D E X 2 X 2 X 2 X X X X X X Poziom Projekt „Przygotowanie i realizacja kierunku inżynieria biomedyczna – studia międzywydziałowe” współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego. Liczba godzin 2 2 2 1 1 1 Razem: 15 Liczba Politechnika Gdańska, międzywydziałowy kierunek „INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA” A 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. wiedzy B C Próba statyczna rozciągania i ściskania metali. Próba statyczna zginania prętów. Pomiar modułu Younga i współczynnika Poissona. Pomiar odkształceń (belki zginane, kratownica). Zapoznanie się z przykładowym programem inżynierskim poprzez naukę wprowadzania zadań statycznych dla konstrukcji prętowych. Numeryczne obliczenia dźwigarów powierzchniowych (konstrukcje w płaskim stanie naprężenia i odkształcenia i w obrotowym stanie symetrii) Numeryczne obliczenia płyt i powłok. Interpretacja wyników obliczeń numerycznych. Próg zaliczenia: Semestr: VI Z wykładu brak/40 z ćwiczeń brak/30 Warunki zaliczenia przedmiotu z laboratorium z projektu 16/30 umiejętności D E godzin X X X X X 1 1 1 1 3 X 3 X X z seminarium 3 2 Razem: 15 Z CAŁOŚCI 51/100 Opis form zaliczenia Wykład (semestr IV) Id Termin 1 Tydzień 6 2 Tydzień 12 Ćwiczenia (semestr IV) Id Termin 1 Tydzień 6 2 Tydzień 14 Punkty 20 20 Razem: 40 Punkty 15 15 Razem: 30 Laboratorium (semestr IV) Id Termin Punkty 1 Ćwiczenie 4 6 2 Ćwiczenie 5 6 3 Ćwiczenie 6 6 4 Ćwiczenie 7 6 5 Ćwiczenie 8 6 Razem: 30 Zakres Test z zakresu zagadnień 1-5, według planu wykładu Test z zakresu zagadnień 6-11, według planu wykładu Zakres Test z zakresu zagadnień 1-2, według planu ćwiczeń Test z zakresu zagadnień 3-6, według planu ćwiczeń Zakres Test z zakresu ćwiczeń 1 – 4 Zrealizowane zadania wg programu ćwiczenia nr 5 Zrealizowane zadania wg programu ćwiczenia nr 6 Zrealizowane zadania wg programu ćwiczenia nr 7 Zrealizowane zadania wg programu ćwiczenia nr 8 Uwagi dotyczące kryteriów zaliczenia: Student nie musi zaliczać testów z wykładów i ćwiczeń. Jedynie z laboratorium musi uzyskać co najmniej 16 punktów na 30 możliwych. Oznacza to, że z testów z wykładów i ćwiczeń musi uzyskać w sumie co najmniej 35 punktów na 70 możliwych. W ramach tego przedmiotu najbardziej istotne jest poznanie mechanizmów przenoszenia obciążeń przez układy inżynierskie i konstrukcyjne. Ważnym elementem jest także zrozumienie opisu zniszczenia materiałów. Ponadto przedmiot pozwala na zapoznanie się z metodami obliczeniowymi i programami inżynierskimi. Lp. 1. Przedmiot Fizyka 2. Analiza matematyczna i algebra liniowa Metody 3. Przedmioty wyprzedzające wraz z wymaganiami wstępnymi Zakres Definicja siły. Grawitacja. Kinematyka i dynamika punktu materialnego. Tarcie. Prawa zachowania. Energia potencjalna. Dynamika ruchu obrotowego bryły sztywnej. Statyka. Sprężystość ciał (prawo Hooke’a). Rachunek różniczkowy i całkowy. Rachunek wektorowy i tensorowy. Operatory różniczkowe. Twierdzenia całkowe. Szeregi Fouriera. Definicje wartości oczekiwanej, odchylenia standardowego, wariancji. Budowa Projekt „Przygotowanie i realizacja kierunku inżynieria biomedyczna – studia międzywydziałowe” współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego. Politechnika Gdańska, międzywydziałowy kierunek „INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA” probabilistyczne i statystyka histogramów. Twierdzenie graniczne. Metody dydaktyczne: Wykład prowadzony będzie z wykorzystaniem projektora, za pomocą którego nauczyciel zaprezentuje slajdy, ukazujące treści przedmiotu. Część przykładowych zadań będzie prezentowana w sposób tradycyjny. Dotyczy to przede wszystkim zadań ilustrujących proces wyznaczania sił wewnętrznych w układach inżynierskich. Niektóre problemy będą ilustrowane za pomocą tworzonych i uruchamianych programów. W ramach ćwiczeń studenci wykonają szereg przykładów ilustrujących wyznaczanie sił wewnętrznych w konstrukcjach inżynierskich i ich elementach. Za pomocą prostych, samodzielnie rozwiązywanych zadań zostaną także przedstawione tematy związane z wytrzymałością materiałów. Szczególnie dotyczy to określania wartości naprężeń w elementach konstrukcyjnych. Celem ćwiczeń będzie ugruntowanie wiedzy przedstawionej w trakcie wykładów. Zajęcia będą prowadzone w standardowy sposób. Grupa zostanie podzielona na podgrupy dwuosobowe lub trzyosobowe, w ramach których będą rozwiązywane proste zadania inżynierskie. Rozwiązania zadań będą prezentowane z wykorzystaniem techniki edukacji na odległość, tak aby każdy student mógł zapoznać się z wszystkimi przykładami. Zajęcia laboratoryjne zostaną podzielone na dwie odrębne części. W pierwszej zostaną zaprezentowane podstawowe badania laboratoryjne: rozciąganie, ściskanie, zginanie i inne. Ponadto zostaną przedstawione sposoby pomiarów odkształceń w modelach konstrukcji inżynierskich i sposób ich wykorzystania w analizie naprężeń. Zajęcia będą miały charakter pokazowy, mający na celu ugruntowanie pojęć prezentowanych w trakcie wykładów. Ta część laboratorium będzie zakończona pisemnym sprawdzianem. Druga część laboratorium będzie praktyczną ilustracją części materiału przedstawianego w czasie wykładów i ćwiczeń. Każdy student będzie miał do dyspozycji komputer z zainstalowanym oprogramowaniem. Następnie będzie realizował, zgodnie z ustalonymi terminami spotkań, kolejne ćwiczenia laboratoryjne. Będą one polegały na rozwiązywaniu zadań przy wykorzystaniu oprogramowania inżynierskiego. W pierwszej kolejności zostaną powtórzone zadania rozwiązane w standardowy sposób w trakcie ćwiczeń, a następnie dużo bardziej skomplikowane schematy. Do każdego ćwiczenia laboratoryjnego udostępniona zostanie (na platformie edukacji na odległość) szczegółowa instrukcja z przykładami. Po zapoznaniu się z instrukcją student wykona w sali laboratoryjnej kolejne zadania (pod opieką i przy pomocy prowadzącego). Ocenie podlegać będzie przygotowanie studenta do zajęć i realizacja zadań wyznaczonych do samodzielnego wykonania w czasie ćwiczenia. Zajęcia laboratoryjne z wykorzystaniem komputerów rozpoczną się w piątym tygodniu wykładów. Na pierwszym spotkaniu w laboratorium komputerowym nauczyciel przedstawi zasady realizacji zadania (m.in. dostępność oprogramowania, harmonogram spotkań, godziny konsultacji) oraz rozdzieli tematy zadań. Kolejne spotkania przeznaczone zostaną na zaprezentowanie poszczególnych etapów realizacji zadań przez studenta. Część zajęć zostanie zrealizowana z wykorzystaniem metod i technik edukacji na odległość. Edukacja na odległość prowadzona będzie poprzez interaktywny materiał dydaktyczny w połączeniu ze śledzeniem jego przyswajania przez studentów. Jednocześnie wykładowca będzie do dyspozycji studentów w ramach forum tematycznego. Studenci powinni wziąć udział w dyskusjach tematycznych prowadzonych w ramach forum (przebieg dyskusji widoczny przez wszystkich członków grupy). Nauczyciel jest zobowiązany poświęcić i udokumentować czas spędzony na prowadzeniu edukacji na odległość (w wymiarze co najmniej równym liczbie godzin poświęconym na realizację danych treści wykładu w formie tradycyjnej). Wykaz literatury podstawowej: 1. Przewłócki J., Górski J.: Podstawy mechaniki budowli. Arkady, wydanie II zmienione 2008 2. Bielewicz E.: Wytrzymałość materiałów. Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej. Wydanie VIII 2006 3. Bąk R., Burczyński T.: Wytrzymałość materiałów z elementami ujęcia komputerowego. WNT, Warszawa 2004 4. Kolendowicz T.: Mechanika budowli dla architektów. Arkady, Warszawa 1996. 5. Pyrak S., Szulborski K.: Mechanika konstrukcji. Przykłady obliczeń. Arkady, Warszawa 2001 6. Lubowiecka I., Skowronek M.: Zadania z mechaniki budowli. Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2000 (udostępnione w Internecie) Wykaz literatury uzupełniającej: 1. Górski J. Mikulski T.: Laboratorium z mechaniki budowli i wytrzymałości materiałów. Politechnika Gdańska, Wydział Budownictwa Lądowego. 1996 (udostępnione w Internecie). 2. Instrukcja obsługi programu Robot Millennium (RoboBAT – Autodesk) (dostępna w postaci pliku PDF). 3. Jankowski R., Lubowiecka I., Witkowski W.: Podstawy programowania w języku MATLAB (dostępna w postaci pliku PDF) Projekt „Przygotowanie i realizacja kierunku inżynieria biomedyczna – studia międzywydziałowe” współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.