Nr wniosku: 159306, nr raportu: 7645. Kierownik (z rap.): prof. dr hab

Nr wniosku: 159306, nr raportu: 7645. Kierownik (z rap.): prof. dr hab. inż. Zbigniew Kołakowski
PROJEKT BADAWCZY NCN OPUS-1
„Wyboczenie dynamiczne konstrukcji płytowych z materiałów gradientowych poddanych termo-mechanicznym
impulsom obciążenia”
UMO-2011/01/B/ST8/07441
realizowany w Katedrze Wytrzymałości Materiałów i Konstrukcji Politechniki Łódzkiej
Materiały funkcjonalnie gradientowe (FGM) wytwarzane są od około 30 lat i od razu stały się bardzo popularne w
badaniach naukowych i zastosowaniach inżynierskich. Typowy FGM jest niejednorodnym kompozytem (najczęściej
metal-ceramika), w którym wzajemna zawartość dwóch składników zmienia się w sposób ciągły. W większości
zastosowań (w płytach, powłokach) właściwości materiałowe zmieniają się w sposób ciągły po grubości, co eliminuje
niekorzystne zjawisko występujące w tradycyjnych kompozytach warstwowych takie jak: koncentracja naprężeń tnących
i/lub naprężeń cieplnych. Dzięki połączeniu metalu i ceramiki FGM uzyskują specyficzne właściwości – wysoką
odporność na temperatury (ceramika) i dobre właściwości mechaniczne (metal), które sprawiają, że konstrukcje
wykonane z FGM są stosowane jako osłony w otoczeniu wysokich temperatur.
W zrealizowanym projekcie uwzględniono dynamiczne obciążenia mechaniczne i termiczne, a także ich sprzężone
oddziaływanie. Badano cienkościenne płyty, dźwigary i belki-słupy wykonane z FG materiałów. Analogicznie jak dla
mechanicznego obciążenia dynamicznego konstrukcji wprowadzono współczynnik termicznego obciążenia
dynamicznego (tzw. DLFT) zdefiniowany w oparciu o kryterium Budiansky’ego-Hutchinsona. Przy obciążeniach
termicznych uwzględniono stały oraz nagły impulsowy wzrost temperatury i impuls strumienia ciepła, o różnych
kształtach impulsu, zmieniający się po grubości FG konstrukcji. Zaś w przypadku obciążeń mechanicznych analizowano
konstrukcje poddane ściskaniu, mimośrodowemu ściskaniu i zginaniu. Współczynnik rozkładu materiału (wzajemnego
udziału metalu i ceramiki w objętości płyty) ma decydujące znaczenie dla odpowiedzi dynamicznej konstrukcji. Ponadto
stwierdzono wrażliwość FG konstrukcji płytowych na warunki brzegowe, warunki połączenia sąsiadujących płyt, typ
obciążenia (mechaniczne, cieplne, termo-mechaniczne), wzajemne oddziaływanie obciążeń i postaci wyboczenia, a nawet
wpływ sprzężeń dynamicznych związanych z dwoma typami rezonansów wewnętrznych: parametrycznym i
kombinowanym. Na to wszystko nakłada się wpływ znaku imperfekcji geometrycznych (w kierunku ceramiki lub w
kierunku metalu), który ma istotne znaczenie. Analiza odpowiedzi dynamicznej FG konstrukcji na obciążenia termomechaniczne wskazuje, że zakres parametrów wpływających na zachowanie się tych konstrukcji jest bardzo szeroki i
złożony.
A zatem badania nad dynamiczną statecznością FG konstrukcji powinny być kontynuowane dla różnych kombinacji
obciążeń cieplnych i mechanicznych. Rozwój teoretycznych i doświadczalnych badań umożliwi wykorzystanie FGM do
stworzenia konstrukcji o pożądanych cechach na obciążenia dynamiczne ze względu na wymagania o wysokim reżimie
bezpieczeństwa, niezawodności, lekkości i energochłonności. Jest to szczególnie ważne ze względu na ochronę
środowiska i rozwój innowacyjnych zastosowań.
Zrealizowany projekt przyczynił się do znacznego poszerzenia stanu wiedzy w zakresie mechaniki konstrukcji
kompozytowych, stateczności i nośności konstrukcji. Za wkład do dyscypliny mechanika należy uznać opracowanie
modeli numerycznych FG konstrukcji pozwalających analizować dynamiczną odpowiedź konstrukcji na skutek
dynamicznych obciążeń termo-mechanicznych powodujących sprzężoną utratę stateczności. Wkład w rozwój dyscypliny
inżynierii materiałowej dotyczy przede wszystkim możliwości optymalizacji budowy nowoczesnych materiałów
kompozytowych celem kreowania ich właściwości mechanicznych dotychczas nieznanych lub niewystarczających, a
koniecznych z uwagi na wymagania konstruktorskie.