wytrzymałość materiałów - Zakład Wytrzymałości Materiałów i

Transkrypt

Marian Ostwald
Instytut Mechaniki Stosowanej
Zakład Wytrzymałości Materiałów i Konstrukcji
WYTRZYMAŁOŚĆ MATERIAŁÓW
Zagadnienia wybrane
Materiały uzupełniające do podręczników:
Wersja 05 (2012)
Marian Ostwald:
PODSTAWY WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW.
Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Wydanie V poprawione,
Poznań 2012
Marian Ostwald:
WYTRZYMAŁOŚĆ MATERIAŁÓW. ZBIÓR ZADAŃ.
Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Wydanie II poprawione,
Poznań 2012
1
Wprowadzenie do WM 2012.doc
STRUKTURA MECHANIKI
Metody i pojęcia
matematyki
do badania zjawisk
Obserwacja
rzeczywistości
Fizyka
Matematyka
MECHANIKA
TEORETYCZNA (OGÓLNA)
Mechanika
relatywistyczna
(skala makro, E = mc2)
MECHANIKA
STOSOWANA (TECHNICZNA)
(newtonowska)
MECHANIKA CIAŁA SZTYWNEGO:
- dynamika
- kinematyka
- statyka
Mechanika
kwantowa
(skala mikro, chaos)
MECHANIKA CIAŁ
ODKSZTAŁCALNYCH:
Doświadczenie
MECHANIKA CIAŁ STAŁYCH
MECHANIKA
PŁYNÓW:
- hydromechanika
- aeromechanika
WYTRZYMAŁOŚĆ
MATERIAŁÓW:
- teoria sprężystości
- teoria plastyczności
- reologia
- .............
MECHANIKA
GRUNTÓW
(budownictwo)
MECHANIKA STOSOWANA (TECHNICZNA)
WYTRZYMAŁOŚĆ
MATERIAŁÓW
PODSTAWY KONSTRUKCJI MASZYN
Podstawy
teoretyczne
Modelowanie,
rozwiązanie
Wdrożenie,
eksploatacja
Galileo’s cantilever model, the most relevant
explanatory model developed in the framework of his theory of strength of materials.
Source: Galilei, Galileo, Discorsi e dimostrationi matematiche, Intorno à due nuove
scienze, attenenti alla mecanica, & i movimenti locali. Bologna. Per gli HH del Dozza,
1655.
2
Wytrzymałość materiałów jako mechanika ciała odkształcalnego korzysta z pojęć statyki, wykorzystuje zasadę zesztywnienia (wniosek z doświadczenia!), stosuje uproszczone modele
(pręty, wały, belki, pręty uogólnione). Jest to tzw. wytrzymałość
klasyczna, stanowiąca fundament bardziej zaawansowanych obliczeń wytrzymałościowych, związanych z projektowaniem złożonych konstrukcji inżynierskich. Metody te wymagają zastosowania matematyki wyższej, niekiedy na bardzo wysokim poziomie. Dla otrzymywania praktycznych rozwiązań szeroko stosowane są metody numeryczne, wymagające doświadczalnego
potwierdzania otrzymanych rozwiązań.
„Filary” wytrzymałości materiałów:
TEORIA


Wykład
PRAKTYKA



DOŚWIADCZENIE

Ćwiczenia
3

Laboratorium
Przykładowa mapa myśli
określająca związki WM z otoczeniem
Nowoczesne materiały konstrukcyjne1
Epoka stali powoli się kończy. Wniosek: nowe materiały (np. kompozyty) wymagają
zastosowania nowych metod projektowania i wytwarzania – podejście systemowe
zwiększa potencjalne korzyści ze stosowania nowych materiałów.
1
Dobrzański L. A.: Metalowe materiały inżynierskie. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2004.
4
WYTRZYMAŁOŚĆ MATERIAŁÓW
(Inne określenia: wytrzymałość konstrukcji, mechanika konstrukcji,
mechanika ciał odkształcalnych)
Mechanika i wytrzymałość materiałów należą do najstarszych obszarów ludzkiej aktywności2. Termin „wytrzymałość materiałów” ma dzisiaj znaczenie historyczne, posiadające swoje odpowiedniki w wielu językach (ang. strength of materials, niem. material-festigkeit, franc. résistance des matériaux, ros. soprotivlenie materialov).
CEL: Projektowanie i wytwarzanie bezpiecznych i niezawodnych konstrukcji, urządzeń i systemów technicznych.
NARZĘDZIE: SYSTEMOWE WIDZENIE RZECZYWISTOŚCI.
Teoria systemów  Inżynieria systemów 
Inżynierskie widzenie
otoczenia
METODA: Złożoność współczesnych problemów technicznych
wymaga SYSTEMOWEGO WIDZENIA RZECZYWISTOŚCI.
Warunki te spełnia PROJEKTOWANIE SYTEMOWE3 (projektowanie mechatroniczne).
ZADANIE: kompromis między wymaganiami typu „hard” (bezpieczeństwo) i „soft” (np. negocjowane koszty, ocena ryzyka).
OGRANICZENIA: projektowanie uwzględniające CYKL ŻYCIA
WYROBU TECHNICZNEGO oraz KOSZTY CYKLU ŻYCIA.
SYSTEM WARTOŚCI
KRYTERIUM
OPTYMALIZACYJNE
(koszt wyrobu)
Potrzeba
Projektowanie
Optymalne
projektowanie
konstrukcji
Wytwarzanie
 MECHANIKA (teoria)
 WYTRZYMAŁOŚĆ MATERIAŁÓW (model)
 PODSTAWY KONSTRUKCJI
MASZYN (wdrożenie)
Dystrybucja
Zarządzanie produkcją
Eksploatacja
Likwidacja
Marketing
Nowa
potrzeba
2
3
S. P.Timoszenko: „Historia wytrzymałości materiałów”. Warszawa, Arkady 1966.
Patrz: E-skrypt: „WPROWADZENIE DO POP 2011”
5
CYKL ŻYCIA WYROBU  KOSZT CYKLU ŻYCIA
SZEROKO ROZUMIANE KOSZTY SĄ OBECNIE
PODSTAWOWYM ELEMENTEM PROJEKTOWANIA
KONSTRUKCJI (SYSTEMÓW) TECHNICZNYCH
Motto inżynierii systemów:
DZIAŁAMY LOKALNIE, MYŚLIMY GLOBALNIE
TRZEBA WIDZIEĆ LAS, A NIE POJEDYNCZE DRZEWA.
Absolwent wyższej uczelni (technicznej) jest
AKTYWNYM członkiem społeczeństwa wiedzy.
WIEDZA W GOSPODARCE I SPOŁECZEŃSTWIE
(connectedness)
POŁACZENIOWOŚĆ
KONTEKSTOWOŚĆ
DANE  INFORMACJA  WIEDZA  MĄDROŚĆ
MĄDROŚĆ
Zrozumienie zasad
WIEDZA
Zrozumienie wzorców
INFORMACJA
Zrozumienie relacji
DANE
 Zbiór danych nie jest informacją.
 Zbiór informacji nie jest wiedzą.
 Zbiór wiedzy nie jest mądrością.
 Zbiór mądrości nie jest prawdą.
(understanding)
ZROZUMIENIE
Wykształcenie wszechstronne jest kształceniem uniwersalnym, bo wyposaża człowieka w umiejętność odnalezienia
się w zmieniającym się świecie, do którego zmieniających
się reguł trzeba się dostosować. Jerzy Stempowski
Niezbędnym elementem inżynierskiego widzenia otoczenia
jest wypracowanie odpowiedniej motywacji do działania.
Jest to stan gotowości do podjęcia określonego działania,
wzbudzony potrzebą zespół procesów psychicznych i fizjologicznych określający podłoże zachowań i ich zmian. Motywacja
to wewnętrzny stan człowieka mający wymiar atrybutowy. Jeżeli
człowiek jest świadomy wyniku wykonywanych czynności wówczas ten wynik będzie nazywany celem.
6
Relacje zrozumienie – kontekst należy uzupełnić o MOTYWACJĘ pobudzającą do kreatywnych działań.
RELACJE: ZROZUMIENIE – KONTEKST + MOTYWACJE
Motywacje
PRAWDA
Mądrość
Wiedza
Zaakceptowanie zasad
Informacje
Poznanie wzorców
Dane
Zrozumienie relacji
Zrozumienie
PRAWDA
Kontekst
Odpowiednio ukierunkowane motywacje są istotnym elementem procesu projektowania systemowego4.
Inżynierskie widzenie otoczenia (fragmentu rzeczywistości).
CECHY ABSOLWENTA WYŻSZEJ UCZELNI TECHNICZNEJ
PRZYDATNE W INŻYNIERSKIM WIDZENIU OTOCZENIA:
1. Wiedza
2. Umiejętności
3. Kreatywność
4. Zrozumienie otaczającej rzeczywistości
5. Hierarchia wartości
INŻYNIER – absolwent studiów technicznych, wyposażony
w wiedzę z przedmiotów ścisłych i inżynierskich wykorzystujących nauki matematyczne, charakteryzujący się dyscypliną umysłową, umiejętnością kojarzenia faktów oraz
dbałością w komunikowaniu się ze środowiskiem i otoczeniem.
INŻYNIER kieruje swoje doświadczenie i wiedzę, w szczególności nabyte w okresie studiów wiadomości z nauk przyrodniczych i matematycznych na zaspokojenie potrzeb społecznych,
przy czym dobiera on środki tak, aby w sposób ekonomiczny
wykorzystać zasoby i siły przyrody dla dobra ludzkości.
(Verein Deutscher Ingenieure VDI, 1971)
4
Patrz E-skrypt: „Motywacja w działalności inżynierskiej”
7
INŻYNIER = WIEDZA + UMIEJĘTNOŚCI + DOŚWIADCZENIE
INŻYNIER – absolwent uczelni technicznej, reprezentant techniki o uniwersalnym charakterze.
 menedżerskie
kwalifikacje
 ekonomiczne
INŻYNIER =
+
techniczne
 społeczne
 humanistyczne
INŻYNIER rozwiązuje istniejące problemy, ale również generuje
nowe. Nowe rozwiązania techniczne kreują nowe problemy
społeczne, ekologiczne, moralne (przemysł zbrojeniowy) i inne.
Miejsce mechaniki i wytrzymałości materiałów w projektowaniu
Konstrukcje i elementy konstrukcyjne powinny być odpowiednio trwałe, ekonomiczne i niezawodne. Szczególną
uwagę należy przykładać do BEZPIECZEŃSTWA I NIEZAWODNOŚCI DZIAŁANIA konstrukcji (zdrowia i życia ludzi).
Określenie właściwego poziomu bezpieczeństwa konstrukcji jest
problemem społecznym, ekonomicznym i technicznym. Problem
bezpieczeństwa konstrukcji wymaga zastosowania odpowiednich
form konstrukcyjnych, właściwych materiałów oraz metod obliczeniowych.
WSPÓŁCZESNA TECHNIKA NIE JEST W STANIE ZAPEWNIĆ
CAŁKOWICIE BEZPIECZNYCH I NIEZAWODNYCH KONSTRUKCJI
(WYSOKI POZIOM KOSZTÓW).
METODA: PROJEKTOWANIE SYSTEMOWE (OPTYMALNE)
KOMPROMIS
8
MIEJSCE WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW
W NAUKACH INŻYNIERSKICH (MECHANICZNYCH)
Mechanika
teoretyczna
Mechanika
stosowana
Normy, przepisy,
dyrektywy
WYTRZYMAŁOŚĆ
MATERIAŁÓW
Podstawy
konstrukcji maszyn
WDROŻENIE
Prawa Newtona
Znaczenie praw Newtona (1687)
w technice XXI wieku:
1. Prawa Newtona umożliwiają opis każdego zjawiska fizycznego za pomocą
równań różniczkowych. Punktem odniesienia jest Ziemia. PROBLEM: znalezienie rozwiązań.
2. Wykorzystanie komputerów do rozwiązywania problemów technicznych.
PROBLEM: komputer „nie myśli” oraz komputer „oszukuje” (binarny zapis
liczb wymusza ich zaokrąglanie).
3. Człowiek spostrzega rzeczywistość za pomocą ograniczonych zmysłów
(wzrok – 300-950 nm + kolor, słuch – 16-20000 Hz). Mózg człowieka (najdoskonalszy „komputer”) przetwarza porcje informacji w specyficzny sposób (porównaj – złudzenia optyczne + iluzja, kompresja stratna plików
MP3, MPEG4).
4. Zarówno człowiek jak i komputer widzą i oceniają rzeczywistość w pewnym przybliżeniu (suwmiarka – pomiar z dokładnością do 0,1 mm, mikrometr – 0,001 mm).
5. Ważność praw Newtona wynika z ograniczeń człowieka jak i ograniczeń
komputerów.
WNIOSEK: w technice (w tym w WM) stosowanie opisu rzeczywistości za pomocą modeli, stosowanie uproszczeń i przybliżeń jest uzasadnione. PROBLEM: adekwatność modeli do rzeczywistości. ROZWIĄZANIE: doświadczenie
i eksperyment (filar WM), weryfikacja i walidacja rozwiązań.
9
WYTRZYMAŁOŚĆ MATERIAŁÓW JEST ŚCIŚLE ZWIĄZANA
Z PRZEDMIOTEM PODSTAWY KONSTRUKCJI MASZYN
(CZĘŚCI MASZYN)
Podstawy konstrukcji maszyn (maszynoznawstwo) – dziedzina inżynierii mechanicznej obejmująca projektowanie i dobór elementów mechanizmów, urządzeń i maszyn. W szczególności PKM to konstruowanie i dobór połączeń, łożyskowań, konstruowanie wałów i osi, sprzęgieł, hamulców przekładni itd. Istotną
częścią PKM jest odpowiedni dobór tolerancji wykonawczych, tolerancji kształtów (płaskości, okrągłości), dobór pasowań (tolerancji wałków i otworów), parametrów jakości powierzchni (chropowatości, płaskości, falistości).
Normalizacja części maszyn
Normalizacja jest działalność mająca na celu uzyskanie optymalnego w danych
warunkach stopnia uporządkowania w określonym zakresie, poprzez ustalenie
postanowień przeznaczonych do powszechnego i wielokrotnego stosowania,
dotyczących problemów istniejących lub możliwych do wystąpienia. Działalność
ta polega w szczególności na opracowywaniu, publikowaniu i wdrażaniu norm.
Potrzeba normalizacji została zrodzona w wyniku rozwoju produkcji seryjnej
i masowej (zamienność części). W procesie projektowania koniecznością stało
się ujednolicanie pojęć, terminów, nazw, symboli, metod obliczeń, sposobów
badań, produkcji i kontroli, określanie warunków eksploatacji, przechowywania, transportu oraz likwidacji.
Normalizacja skraca cykl przygotowania wyrobów technicznych.
Ograniczenie wyboru do wartości znormalizowanych ogranicza kreatywność
konstruktora, rzutuje na zwiększenie kosztów (masy) projektowanych elementów. Inżynier – projektant w procesie obliczeń wytrzymałościowych dobiera
konkretne rozwiązania w oparciu o właściwe normy. Normalizacja ma jednak
głęboki sens ekonomiczny. Odstępstwa od norm wymagają wielu uzgodnień.
NORMALIZACJA WYMAGA STOSOWANIA W PROJEKTOWANIU KOMPROMISU.
NORMA – dokument przyjęty na zasadzie konsensusu i zatwierdzony przez
upoważnioną jednostkę organizacyjną.
PN-EN:45020:2000 „Normalizacja i dziedziny związane. Terminologia ogólna”
Normy – zbiory przepisów opisujących cechy i właściwości elementów konstrukcyjnych (normy międzynarodowe, dyrektywy UE, normy państwowe,
branżowe, zakładowe).
UNIFIKACJA (typizacja) – działalność w celu zmniejszenia różnorodności norm
(wyrobów, czynności).
„Podstawy konstrukcji maszyn” pod red. Marka Dietricha, t. 1, WNT Warszawa
10
PODSTAWOWE ZASADY PROJEKTOWANIA:
I ZASADA KONSTRUKCJI
KONSTRUKCJA POWINNA SPEŁNIAĆ WSZYSTKIE
PODSTAWOWE WARUNKI KONSTRUKCYJNE
W STOPNIU NIE GORSZYM OD ZAŁOŻONEGO
II ZASADA KONSTRUKCJI
KONSTRUKCJA POWINNA BYĆ OPTYMALNA
W DANYCH WARUNKACH ZE WZGLĘDU
NA PODSTAWOWE KRYTERIUM OPTYMALIZACYJNE
Oprócz podstawowych zasad konstrukcji istnieje wiele zasad szczegółowych, które konstrukcja musi spełniać w stopniu nie gorszym od założonych na początku procesu projektowania (narzuconych przez klienta),
zgodnie z I zasadą konstrukcji.
Najważniejsze szczegółowe zasady konstrukcji:
 bezpieczeństwo
 funkcjonalność
 niezawodność i trwałość
 sprawność
 prawidłowość doboru materiałów
 dobór właściwej technologii
 lekkość
 ergonomiczność
 łatwość eksploatacji i napraw
 niskie koszty eksploatacji
 zgodność z obowiązującymi normami, dyrektywami i przepi-
sami
 łatwość likwidacji
 inne zasady i wymagania.
Praca zbiorowa pod red. Zbigniewa Osińskiego: PODSTAWY KONSTRUKCJI MASZYN, Wyd Naukowe PWN 2003
11
PROJEKTOWANIE SYSTEMOWE (MECHATRONICZNE)
PROJEKTOWANIE (KONSTRUOWANIE) – całokształt działań
mających na celu określenie sposobu zaspokojenia określonej potrzeby,
prowadzonych według zasad metodologicznych projektowania optymalnego od stanu początkowego do stanu końcowego.
STAN POCZĄTKOWY:



potrzeba uświadomiona,
potrzeba intuicyjna,
potrzeba wykreowana.
Potrzeba: kreacja potrzeby  proces decyzyjny  DECYZJA




budowa nowego urządzenia (systemu) technicznego,
modernizacja znanego rozwiązania,
zakup licencji (technologii, know-how),
zakup gotowego wyrobu (import).
STAN KOŃCOWY: system, wyrób, obiekt, program, proces, organizacja zaspokajająca zdefiniowaną potrzebę.
LEKCJA NATURY
Wymiary i perspektywy poznawcze
mechatroniki
jako części inżynierii systemów
Patrz:
E-skrypt „Mechatronika dla mechaników”.
Rozwój systemów technicznych ograniczających rolę człowieka
12
KRYTERIA OCENY KONSTRUKCJI
Przy podejmowaniu decyzji o wyborze należy posługiwać się
zbiorem kryteriów oceny rozwiązania (konstrukcji).
„Podstawy konstrukcji maszyn” pod red. Marka Dietricha, t. 1, WNT Warszawa
1. KRYTERIUM BEZPIECZEŃSTWA
Wyrób nie powinien zagrażać użytkownikom. Nie wolno
dopuszczać do powstania zagrożeń (ocena zagrożenia –
subiektywna). Nadzór państwa – dozór techniczny. Dyrektywy Unii Europejskiej, normy ISO, firmy ubezpieczeniowe.
Ocena ryzyka związanego z zagrożeniami (jednym z celów
projektowania mechatronicznego jest ograniczenie roli
człowieka).
2. KRYTERIUM NIEZAWODNOŚCI
Kryterium ściśle związane z kryterium bezpieczeństwa.
Systemy – awaria jednego elementu może doprowadzić do
zniszczenia całego systemu.
SYSTEM JEST TAK NIEZAWODNY, JAK JEGO NAJSŁABSZY ELEMENT. Najczęściej najsłabszym elementem
systemu jest człowiek.
3. KRYTERIUM MASY
4. KRYTERIUM EKONOMIKI EKSPLOATACJI
5. KRYTERIUM TECHNOLOGICZNOŚCI
6. KRYTERIUM ERGONOMII I ESTETYKI
7. KRYTERIUM EKOLOGICZNOŚCI
Podejście systemowe (holistyczne) do procesu projektowania
pozwala na ocenę ważności kryteriów oceny i wypracowanie
rozwiązania kompromisowego.
Waga poszczególnych kryteriów – proces decyzyjny, w którym
uczestniczą klienci, decydenci, konstruktorzy i ekonomiści.
ROLA I ZNACZENIE PROJEKTOWANIA OPTYMALNEGO5
5
Patrz: Marian Ostwald: „Podstawy optymalizacji konstrukcji”. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej 2005.
13
SYSTEM C – T – O
(Człowiek – Technika – Środowisko)
Przesłanki do rozwoju dyscyplin naukowych związanych z bezpieczeństwem i niezawodnością:

Złożoność współczesnych i przyszłych zadań związanych z techniką
i wzrost stopnia złożoności obiektów technicznych (lotnictwo).

Wzrost potencjalnych strat związanych z niesprawnością systemów
technicznych oraz niesprawnością człowieka.

Wzrost synergicznych relacji człowiek – technika (oprócz wyraźnych
korzyści – możliwość powstania olbrzymich strat).
NOWE DYSCYPLINY NAUKOWE:
 nauka o bezpieczeństwie,
 nauka o niezawodności,
 nauka o ryzyku,
 nauka o ochronie środowiska.
KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE PROJEKTOWANIA
URZĄDZEŃ MECHATRONICZNYCH
14
PROCES PROJEKTOWANIA JEST PROCESEM DECYZYJNYM.
KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE DECYZJI
Rozwój technologii informatycznych umożliwił zastosowanie systemów komputerowych w procesach decyzyjnych, szczególnie tam, gdzie do podjęcia decyzji konieczne jest szybkie przetworzenie ogromnych ilości danych lub gdzie
charakterystyka sytuacji decyzyjnej wymaga zastosowania skomplikowanych
obliczeniowo modeli.
TEORIA DECYZJI – obszar zainteresowań wielu różnych dziedzin nauki,
obejmujący analizę i wspomaganie procesu podejmowania decyzji. Korzystają
z niej i rozwijają ją: kognitywistyka, matematyka, statystyka, psychologia, socjologia, ekonomia, zarządzanie, filozofia, informatyka, medycyna. Działy:

klasyczna inżynieryjna teoria decyzji – szukanie rozwiązań optymalnych
(najlepszych) w dziedzinie problemów dobrze sformalizowanej, tzw. well
defined problems (modele matematyczne).

kognitywistyczne teorie decyzji – które szukają rozwiązań wystarczających (skutecznych) dla tzw. real world problems oraz ill defined problems
(modele rozmyte, nieprecyzyjne, opisowe).
Klasyczna teoria decyzji zajmuje się:

analizą decyzji – rozpatrywanie konkretnych przypadków decyzji podjętej
przez osobę lub grupę osób w celu wyznaczenia decyzji optymalnej oraz,
jeśli podjęta decyzja nie była optymalna, znalezieniu przyczyn pomyłki.

wspomaganiem decyzji – próba wyznaczenia rozwiązania najlepszego
przy danym zasobie wiedzy i informacji o możliwych konsekwencjach. Dotyczy to również podejmowania decyzji grupowych.
SYSTEMY WSPOMAGAJĄCE PODEJMOWANIE DECYZJI (Decision
Support Systems DSS) – systemy tworzące raporty i zestawienia, które dostarczane są kierownictwu w ramach systemów informowania kierownictwa
EIS (Executive Information Systems).
Kilka kryteriów oceny decyzji –wielokryterialna analiza decyzyjna (optymalizacja wielokryterialna). Dwa nurty analizy decyzyjnej: wielokryterialne podejmowanie decyzji oraz wielokryterialne wspomaganie decyzji.
SZTUCZNA INTELIGENCJA – dział informatyki badający reguły rządzące inteligentnymi zachowaniami człowieka w celu tworzenia programów komputerowych symulujących te zachowania.
SIECI NEURONOWE – komputerowe modele symulujące działanie ludzkiego
mózgu, przydatne w rozpoznawaniu wzorców, ich klasyfikacji, analizie itp.,
przydatne w procesach sterowania i podejmowania decyzji (sieci samouczące). Przykładowe zastosowania – medycyna, planowanie remontów, optymalizacja działań, programy OCR).
SYSTEMY EKSPERTOWE – program (zestaw programów) wspomagających
wykorzystanie wiedzy zawartej w bazach wiedzy, opartej o wiedzę ekspertów,
dostarczające zaleceń, diagnoz i ułatwiające podejmowanie decyzji (medycyna).
15
ROLA I ZNACZENIE WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW
1. O stopniu bezpieczeństwa i niezawodności w pierwszym rzędzie decyduje spełnienie określonych warunków wytrzymałościowych.
2. Stosowanie warunków wytrzymałościowych wymaga gruntownej wiedzy teoretycznej i praktycznej, związanej z odpowiednimi metodami
obliczeniowymi adekwatnymi do stopnia złożoności wyrobu technicznego (metody analityczne i energetyczne, metoda elementów skończonych, technologie informatyczne, oprogramowanie CAx).
3. Stosowanie warunku wytrzymałościowego wymaga określenia właściwych współczynników bezpieczeństwa. Właściwy dobór współczynników bezpieczeństwa ma bezpośredni wpływ na koszty wyrobu
(znaczenie ekonomiczne) jak i na bezpieczeństwo i niezawodność
wyrobu (konstrukcji).
4. Określanie współczynników bezpieczeństwa jest bezpośrednio związane z wykształceniem inżynierskim, wymagającym oprócz szerokiej
wiedzy jawnej dysponowania głęboką wiedzą ukrytą (doświadczenie, praktyka, wyobraźnia, otwartość, motywacja).
5. Podejmowanie decyzji o wyborze współczynnika bezpieczeństwa
wymaga od inżyniera zaakceptowania odpowiednio skalkulowanego
ryzyka. Podjęcie ryzyka wymaga umiejętności uzasadnienia swojego
wyboru.
6. Współczesny inżynier musi posiadać szeroką wiedzę techniczną,
ekonomiczną, menedżerską itp. – WIEDZĘ SYSTEMOWĄ.
7. Wiedza systemowa pozwala na projektowanie konstrukcji przewidzianych do pracy w normalnych warunkach eksploatacji. Wiedza
systemowa pozwala także przewidzieć zjawiska (wydarzenia losowe)
mogące mieć negatywne wpływ na projektowaną konstrukcję w nieokreślonej przyszłości (czasoprzestrzeni), w czasie całego cyklu życia
wyrobu technicznego.
8. Współczesny inżynier ma możliwość tworzenia bezpiecznych
i niezawodnych wyrobów technicznych, uwzględniając akceptowalne koszty (koszty całego życia systemów).
PRZYCZYNĄ NIEPOWODZEŃ WIELU PRZEDSIĘWZIĘĆ JEST NIEPRZYSTAJĄCY DO STOPNIA ZŁOŻONOŚCI WYROBU SPOSÓB
MYŚLENIA:
– myślenie redukcjonistyczne,
– rutynowe (mechanistyczne) podejście do problemu,
– niepełna, fragmentaryczna znajomość działania złożonych całości.
16
NAPRĘŻENIA DOPUSZCZALNE
Naprężenia dopuszczalne są miarą wytężenia materiału:
dop 
nieb
,
n
gdzie: nieb – naprężenie przyjęte za niebezpieczne (granica plastyczności, wytrzymałość materiału na rozciąganie),
n
– współczynnik bezpieczeństwa.
Współczynnik bezpieczeństwa n musi być większy od 1.
Właściwy dobór współczynnika bezpieczeństwa to jedno z podstawowych zagadnień w projektowaniu. Wymagania:

Znajomość całokształtu problemów konstrukcyjnych, technologicznych i eksploatacyjnych – WIEDZA SYSTEMOWA, z uwzględnieniem wpływu działalności inżynierskiej na środowisko (otoczenie).

Posiadanie wiedzy teoretyczną (wiedza jawna), oraz odpowiedniej
wiedzy praktycznej (wiedza ukryta).

Odpowiedzialność i samokontrola, asertywność, umiejętność
podejmowania decyzji i skalkulowanego ryzyka.
CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA WYBÓR WSPÓŁCZYNNIKA
BEZPIECZEŃSTWA:
1. Niejednorodna struktura materiału (wtrącenia).
2. Naprężenia wstępne (obróbka cieplna, naprężenia montażowe, naprężenia termiczne).
3. Charakter obciążenia:

losowość obciążenia (obciążenia przypadkowe),

zmienność obciążenia (zmęczenie materiałów),

obciążenia dynamiczne (udarowe).
4. Warunki eksploatacji (zużycie, korozja).
5. Spiętrzenia naprężeń (karby, niedokładności wykonania i obciążenia).
6. Niedoskonałość metod obliczeniowych:

zbyt daleko idące uproszczenia,

błędy modelowania,

niedoskonałość metod analitycznych.
17
W nowocześnie rozumianej wytrzymałości materiałów zaczyna dominować tendencja do bardzo precyzyjnego określania rzeczywistych
współczynników bezpieczeństwa. Jest to zagadnienie o złożonym charakterze, wymagającym uwzględnienia:
 aspektów ekonomicznych (kosztów projektowanych konstrukcji),
 aspektów bezpiecznej pracy konstrukcji,
 aspektów niezawodnej pracy konstrukcji.
Uwzględnienie tych i innych aspektów powoduje, że obliczenia wytrzymałościowe stają się coraz bardziej skomplikowane, odpowiedzialne
i wymagają stosowania najnowszych osiągnięć nauki, techniki komputerowej i informatyki. OBLICZENIA TE MAJĄ CHARAKTER SYSTEMOWY
(MECHATRONICZNY) – PROJEKTOWANIE SYSTEMOWE (projektowanie uwzględniające optymalizację konstrukcji).
Konstrukcja bezpieczna oprócz spełnienia warunków bezpiecznej
pracy (wytrzymałości i sztywności) musi także sygnalizować przeciążenie konstrukcji (rysy, pęknięcia, osiadanie). Konstrukcja powinna być
tak zaprojektowana, aby umożliwić ewakuację ludzi i sprzętu (nie ulegać
nagłemu, nie sygnalizowanemu zniszczeniu).
WARUNEK WYTRZYMAŁOŚCIOWY
max  dop.
Warunek wytrzymałościowy stanowi podstawę obliczeń wytrzymałościowych na „naprężenia dopuszczalne”. Prostota tego warunku powoduje, że dominuje on w procesach projektowania większości konstrukcji
inżynierskich. Z warunku wynika, że o wytrzymałości całej konstrukcji
decyduje jej najsłabszy element, w którym pojawią się naprężenia dopuszczalne. Korzystanie z niego umożliwia zrealizowanie obu zadań wytrzymałości materiałów, czyli:
– określenie dopuszczalnych obciążeń konstrukcji o znanych wymiarach,
– określenie koniecznych wymiarów konstrukcji dla zadanego obciążenia.
Postawą obliczeń wytrzymałościowych są właściwości materiału uzyskane za pomocą statycznej próby rozciągania.
18
INNE WARUNKI WYTRZYMAŁOŚCIOWE:

Warunek sztywności konstrukcji: L  Ldop,   dop, w  w dop.

Warunek stateczności konstrukcji (konstrukcje cienkościenne) P  Pkr ,
gdzie Pkr to obciążenie krytyczne dla danej konstrukcji.

Warunek wytrzymałości zmęczeniowej.

Inne – np. warunek na pełzanie.
PRAKTYKA INŻYNIERSKA: jednoczesne spełnianie ww. warunków.
Obliczenia wytrzymałościowe oparte na koncepcji naprężeń dopuszczalnych są powszechnie stosowane w praktyce inżynierskiej. Ich wadą
jest to, że o bezpieczeństwie całej konstrukcji decyduje wartość naprężenia w jednym tylko miejscu. Jest to sposób projektowania zakładający, że o wytrzymałości całej konstrukcji decyduje jej najsłabszy element. Gdy w konstrukcji występują spiętrzenia naprężeń, ścisłe trzymanie się tego sposobu (koncepcji, filozofii projektowania) prowadzi do jej
przewymiarowania. W związku z tendencją do urealniania współczynników bezpieczeństwa coraz częściej stosuje się inne koncepcje obliczeń.
INNE METODY PROJEKTOWANIA KONSTRUKCJI
1. Metoda nośności granicznej – stosowana w konstrukcjach statycznie niewyznaczalnych wykonanych z materiałów o wyraźnej granicy
plastyczności (stale niskowęglowe). Korzyść – obniżenie kosztów materiałowych.
2. Metoda stanów granicznych – stanu granicznego nośności lub stanu
granicznego użytkowania. Metoda oparta jest określeniu tzw. wytrzymałości obliczeniowej. Metoda oparta jest na sformalizowanych międzynarodowych przepisach i normach (np. Polskie Normy, eurokody,
przepisy dozoru technicznego, normy branżowe).
3. Metody numeryczne: metoda elementów skończonych MES (Finite
Element Method FEM), metoda różnic skończonych MRS (Finite Difference Method FDM), metoda elementów brzegowych MEB (Boundary
Element Method BEM) i inne.
Zalety MES:
 określanie rzeczywistych współczynników bezpieczeństwa,
 odejście od filozofii projektowania na „najbardziej obciążony element”
i wyrównanie wartości naprężeń w całej konstrukcji.
Wady MES:
 eksperyment numeryczny,
 konieczność doświadczalnej weryfikacji rozwiązań.
19
THE CODES
The 58 parts of the Eurocodes are published under 10
area headings. The first two areas – basis and actions –
are common to all designs, six are material-specific and
the other two cover geotechnical and seismic aspects.
EN1990 Eurocode 0: Basis of structural design
EN1991 Eurocode 1: Actions on structures
EN1992 Eurocode 2: Design of concrete structures
EN1993 Eurocode 3: Design of steel structures
EN1994 Eurocode 4: Design of composite steel and concrete structures
EN1995 Eurocode 5: Design of timber structures
EN1996 Eurocode 6: Design of masonry structures
EN1997 Eurocode 7: Geotechnical design
EN1998 Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance
EN1999 Eurocode 9: Design of aluminium structures
By March 2010 the Eurocodes will be mandatory for European
public works and likely to become the de-facto standard for the
private sector – both in Europe and world-wide. They will also
provide the framework for standards used in assessing structural products for their essential CE marking.
http://www.eurocodes.co.uk/
European Committee
for Standardization
Members, affiliates, and partner
standardisation bodies of the
ECS.
The European Committee for Standardization or Comité
Européen de Normalisation (CEN), is a non-profit organisation
whose mission is to foster the European economy in global
trading, the welfare of European citizens and the environment
by providing an efficient infrastructure to interested parties for
the development, maintenance and distribution of coherent sets
of standards and specifications. The CEN was founded in 1961.
20
BEZPIECZEŃSTWO KONSTRUKCJI
1. Konstrukcja powinna być tak zaprojektowana, aby można byłoby ją
bezpiecznie zmontować (naprężenia montażowe) oraz bezpiecznie
użytkować (eksploatować).
2. Konstrukcja powinna spełniać założone parametry w normalnych warunkach eksploatacji.
3. Konstrukcja powinna być trwała, niezawodna i zaprojektowana ekonomicznie w kontekście całego jej cyklu życia (w tym również koszty
likwidacji).
4. Konstrukcja powinna być odporna na wydarzenia losowe (obciążenia
udarowe, awarie, pożary, wybuchy i wydarzenia losowe typu trzęsienia ziemi, powodzie i wybuchy wulkanów).
5. W przypadku awarii konstrukcja nie powinna stwarzać nadmiernego
zagrożenia dla zdrowia i życia ludzi.
6. Przed oddaniem konstrukcji do eksploatacji należy dokonać statystycznej i probabilistycznej oceny jej bezpieczeństwa (ocena statystyczna – ewidencja awarii i katastrof, ocena probabilistyczna –
przewidywanie prawdopodobieństwa wystąpienia stanów niebezpiecznych, np. przy wyborze współczynników bezpieczeństwa).
7. W procesie projektowania należy uwzględnić fakt, że w trakcie budowy i użytkowania konieczne będzie zapewnienie odpowiedniej kontroli jakości materiałów, jakości wykonania elementów i ich montażu.
Ważnym zadaniem jest także określenie zakresów odpowiedzialności
poszczególnych organów kontrolnych i nadzorczych.
8. W procesie projektowania należy uwzględnić fakt zwiększania się
awaryjności konstrukcji w miarę przedłużania się czasu jej eksploatowania (zmęczenie materiałów, korozja, starzenie stali itp.)
Według badań szwajcarskich, 80% awarii w budownictwie jest spowodowane błędami ludzkim. Czynnikami subiektywnymi są:
–
Niewłaściwie przyjęte modele obliczeniowe i procedury projektowania.
–
Błędy i zaniedbania w trakcie realizacji konstrukcji.
–
Niski poziom przygotowania zawodowego projektantów, wykonawców i użytkowników.
–
Brak kompetencji organów nadzorczych.
Żmuda J.: „Podstawy projektowania konstrukcji metalowych”, Arkady 2007
21
Opinie na temat projektowania bezpiecznych konstrukcji:
„Konstrukcje i elementy konstrukcyjne powinny być odpowiednio trwałe, ekonomiczne i projektowane z odpowiednim stopniem awaryjności. W procesie projektowania
należy uwzględniać konsekwencje awarii tak ze względu na zdrowie i życie ludzi, jak
też z uwagi na to, czy zniszczenie będzie nagłe (kruche) czy też dające szanse ratunku (ciągliwe)”.
„Określenie właściwego poziomu bezpieczeństwa konstrukcji jest problemem społecznym, ekonomicznym i technicznym. Cel ten osiąga się poszukując takich form
konstrukcyjnych, materiałowych oraz metod obliczeniowych, które zapewniając realizację zapotrzebowań społecznych i właściwy poziom bezpieczeństwa konstrukcji,
pozwalałyby na minimalizację społecznych kosztów jej wykonania, montażu i eksploatacji”.
Żółtowski W., Łubiński M., Filipowicz A.: „Konstrukcje metalowe”, Arkady 2007.
„Awarie i katastrofy obiektów (…) towarzyszą człowiekowi od zawsze. Ich występowanie jest dowodem naszej ograniczonej wiedzy. Są negatywną odpowiedzią rzeczywistej konstrukcji na błędy popełniane na etapie projektowania, wznoszenia
obiektów oraz jego eksploatacji. Niestety, nie jest możliwe projektowanie obiektów
(…), które nie posiadałyby wad, imperfekcji oraz innych właściwości nieznanych na
etapie tworzenia dokumentacji projektowej. Historia pokazuje wiele przykładów,
gdzie awarie konstrukcji były przyczynkiem do poznania i opisania zjawisk fizycznych, z których istnienia nie zdawano sobie sprawy.”
„Nie jesteśmy w stanie zapobiec wszystkim awariom i katastrofom (…), możemy jedynie zmniejszać ich liczbę i rozmiary, między innymi poprzez podnoszenie kwalifikacji kadr technicznych, wykorzystywanie metod zarządzania ryzykiem czy stosowanie specjalistycznych systemów monitorowania obiektów.”
Sieńko R.: „Czy katastrof można uniknąć?”,
Biuletyn Małopolskiej Okręgowej Izby Inżynierów Budownictwa, Styczeń - luty 2007, str. 20-23.
Scope of a Safety Engineer
http://en.wikipedia.org/wiki/Safety_engineer
To perform their professional functions, safety engineering professionals must have education, training and experience in a common body of knowledge. They need to have a fundamental knowledge of physics, chemistry, biology, physiology, statistics, mathematics,
computer science, engineering mechanics, industrial processes, business, communication
and psychology. Professional safety studies include industrial hygiene and toxicology, design
of engineering hazard controls, fire protection, ergonomics, system and process safety, system safety, safety and health program management, accident investigation and analysis,
product safety, construction safety, education and training methods, measurement of safety
performance, human behavior, environmental safety and health, and safety, health and environmental laws, regulations and standards. Many safety engineers have backgrounds or advanced study in other disciplines, such as management and business administration, engineering, system engineering, requirements engineering, reliability engineering, maintenance
, human factor, operations, education, physical and social sciences and other fields. Others
have advanced study in safety. This extends their expertise beyond the basics of the safety
engineering profession.
22
Safety engineering
http://en.wikipedia.org/wiki/Safety_engineering
Safety engineering is an applied science strongly related to systems engineering and
the subset System Safety Engineering. Safety engineering assures that a life-critical system
behaves as needed even when pieces fail.
Ideally, safety-engineers take an early design of a system, analyze it to find what faults
can occur, and then propose safety requirements in design specifications up front and
changes to existing systems to make the system safer. In an early design stage, often a failsafe system can be made acceptably safe with a few sensors and some software to read
them. Probabilistic fault-tolerant systems can often be made by using more, but smaller and
less-expensive pieces of equipment.
Far too often, rather than actually influencing the design, safety engineers are assigned
to prove that an existing, completed design is safe. If a safety engineer then discovers significant safety problems late in the design process, correcting them can be very expensive. This
type of error has the potential to waste large sums of money.
The exception to this conventional approach is the way some large government agencies approach safety engineering from a more proactive and proven process perspective,
known as "system safety". The system safety philosophy is to be applied to complex and critical systems, such as commercial airliners, complex weapon systems, spacecraft, rail and
transportation systems, air traffic control system and other complex and safety-critical industrial systems. The proven system safety methods and techniques are to prevent, eliminate
and control hazards and risks through designed influences by a collaboration of key engineering disciplines and product teams. Software safety is fast growing fields since modern
systems functionality are increasingly being put under control of software. The whole concept
of system safety and software safety, as a subset of systems engineering, is to influence
safety-critical systems designs by conducting several types of hazard analyses to identify
risks and to specify design safety features and procedures to strategically mitigate risk to acceptable levels before the system is certified.
Additionally, failure mitigation can go beyond design recommendations, particularly in
the area of maintenance. There is an entire realm of safety and reliability engineering known
as Reliability Centered Maintenance (RCM), which is a discipline that is a direct result of analyzing potential failures within a system and determining maintenance actions that can mitigate the risk of failure. This methodology is used extensively on aircraft and involves understanding the failure modes of the serviceable replaceable assemblies in addition to the
means to detect or predict an impending failure. Every automobile owner is familiar with this
concept when they take in their car to have the oil changed or brakes checked. Even filling
up one's car with fuel is a simple example of a failure mode (failure due to fuel exhaustion), a
means of detection (fuel gauge), and a maintenance action (filling the car's fuel tank).
For large scale complex systems, hundreds if not thousands of maintenance actions can
result from the failure analysis. These maintenance actions are based on conditions (e.g.,
gauge reading or leaky valve), hard conditions (e.g., a component is known to fail after 100
hrs of operation with 95% certainty), or require inspection to determine the maintenance action (e.g., metal fatigue). The RCM concept then analyzes each individual maintenance item
for its risk contribution to safety, mission, operational readiness, or cost to repair if a failure
does occur. Then the sum total of all the maintenance actions are bundled into maintenance
intervals so that maintenance is not occurring around the clock, but rather, at regular intervals. This bundling process introduces further complexity, as it might stretch some maintenance cycles, thereby increasing risk, but reduce others, thereby potentially reducing risk,
with the end result being a comprehensive maintenance schedule, purpose built to reduce
operational risk and ensure acceptable levels of operational readiness and availability.
23

wytrzymałość materiałów - Zakład Wytrzymałości Materiałów i

Transkrypt

Podobne dokumenty

SAWO logotypy uczestników 7.04

wytrzymałość materiałów - Zakład Wytrzymałości Materiałów i

MKwIK w8

Z historii slawistyki na Uniwersytecie Warszawskim

Humanum # 15 (4) / 2014