Projekti / Programi
Večparametrično dinamično modeliranje plastovitih močno nehomogenih elastičnih struktur
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.05.00 |
Tehnika |
Mehanika |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T210 |
Tehnološke vede |
Strojništvo, hidravlika, vakuumska tehnologija, vibracije in akustično inženirstvo |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.03 |
Tehniške in tehnološke vede |
Mehanika |
strukturna dinamika, večparametrična analiza, plastovita plošča, kontrastne lastnosti, upogibna in strižna deformacija, Saint-Venantov princip
Raziskovalci (12)
Organizacije (4)
Povzetek
Večslojne konstrukcije, ki se uporabljajo v sodobnih industrijskih aplikacijah in pri katerih so značilne zelo raznolike vrednosti snovnih in geometrijskih parametrov, so pogosto podvržene velikim dinamičnim obremenitvam, ki lahko drastično vplivajo na njihovo funkcionalnost. Iz tega spoznanja izhaja motivacija za razvoj prodornih specializiranih teorij in robustnih računalniških metod, ki temeljijo na sodobni večparametrični analizi in vključujejo natančne izračune ter kvalitativne interpretacije spektrov nihanj kot tudi pripadajočih polj pomikov in napetosti, kar je izredno pomembno tako za optimalno konstruiranje kot za preizkušanje konstrukcij brez porušitve. Doslej nimamo na razpolago nobenih matematično konsistentnih 2D teorij v obliki gibalnih enačb s pridruženimi robnimi pogoji, ki bi ustrezale opisu tankih elastičnih struktur z upoštevanjem dovolj velikih raznolikosti karakterističnih lastnosti posameznih plasti, kakršne se uporabljajo v visokotehnoloških rešitvah. Obravnava večplastnih struktur oziroma konstrukcij z raznolikimi lastnostmi plasti se obenem odraža v številnih izzivih pri numeričnem računanju dinamičnega odziva.
Osnovni cilj predlagane raziskave je izpeljava konsistentnih 2D modelov za večplastne, strogo nehomogene strukture oziroma konstrukcije. Takšen problem je zelo kompleksen, predstavlja velik izziv in terja razjasnitev analitičnih, računalniških in eksperimentalnih vidikov dinamičnega obnašanja konstrukcij s poudarkom na strižnem in upogibnem valovanju.
V raziskavi bomo proučevali dinamično vedenje večplastnih elastičnih plošč z izrazito nehomogenimi lastnostmi. Obravnavali bomo štiri tipe visoko kontrastnih snovnih in geometrijskih parametrov plasti, kakršne se uporabljajo v sodobnih industrijskih aplikacijah, vključno z lahkimi sendvič strukturami. Na osnovi večparametrične analize originalnega 3D problema elastičnosti bomo za vsak tip kontrastnega scenarija izpeljali konsistentni 2D model plošče. Modeli bodo sestavljeni iz gibalnih enačb in pripadajočih robnih pogojev, dobljenih s posplošitvijo konvencionalnega Saint-Venantovega principa. Ti modeli podpirajo razen upogibnih načinov nihanja tudi najnižje strižne načine nihanja z majhnimi mejnimi frekvencami. Predlagane formulacije dinamičnega obnašanja plošč bodo preverjene s pomočjo izračunov z uporabo MKE ter vizualno prikazane na osnovi eksperimentov.
Projektno skupino sestavljajo štiri partnerske institucije in vključujejo raziskovalce z vodilnimi izkušnjami v svetovnem merilu na področju dinamike konstrukcij, kot tudi z vrhunskimi kompetencami v računalniški in eksperimentalni mehaniki. Sodobna eksperimentalna oprema, ki jo bo raziskovalna skupina uporabljala, vključuje laserske vibrometre, pospeškometre, merilne lističe in optični sistem za vizualizacijo meritev.
S predlagano raziskavo pričakujemo, da bo dobljen velik prispevek na novem področju v okviru dinamike konstrukcij, to je na področju večparametrične analize izrazito nehomogenih konstrukcij. Raziskava bo omogočala številne razširitve in posplošenja z vključitvijo ukrivljenosti, anizotropije, asimetričnosti in viskoznosti. Možnost uporabe raziskovalnih rezultatov si obetamo predvsem v snovanju in proizvodnji lahkih konstrukcijskih elementov, ki zagotavljajo boljše karakteristične lastnosti v primerjavi s težkimi konstrukcijskimi elementi, kar je posebej pomembno za avtomobilsko industrijo.
Pomen za razvoj znanosti
Slojevite strukture oziroma konstrukcije, ki jih sestavljajo plasti z zelo kontrastnimi lastnostmi, vključno z lahkimi sendvič strukturami in ki obenem izkazujejo relativno veliko fleksijsko togost, so v sodobnem letalstvu, avtomobilski industriji in gradbeništvu zelo iskane. Kot je bilo omenjeno že v predhodnih delih predloženega projekta, so postale zahteve za postavitev ustreznih teorij in računalniških metod, ki jih je v takšnih aplikacijah mogoče uporabljati, zelo rigorozne. Potemtakem je bistvenega pomena, da razpolagamo z učinkovitimi teoretičnimi in računalniškimi orodji za optimalno snovanje, natančno izvrednotenje in kvalitativno interpretiranje mehanskega obnašanja takšnih struktur oziroma konstrukcij. Z ozirom na to bo najvažnejši prispevek projekta vzpostavitev konsistentnih 2D dinamičnih modelov za večparametrične analize slojevitih, strogo nehomogenih struktur s posebnim poudarkom na medsebojnem vplivu strižnih in upogibnih valov. S tem bomo obstoječe osnovno znanje mehanike konstrukcij v splošnem znatno obogatili, še zlasti na področju dinamike izrazito nehomogenih struktur.
Razvita obsežno zasnovana raziskava bo s kombiniranjem analitičnega, računalniškega in eksperimentalnega pristopa zagotovila trdne teoretične temelje za izboljšanje in optimiranje obstoječih inženirskih metodologij za reševanje raznovrstnih problemov, povezanih z dinamičnim modeliranjem visoko kontrastnih slojevitih struktur, vključno z lahkimi sendvič komponentami. Omogočila bo učinkovito, na znanstvenih izsledkih temelječo snovanje in mehansko karakterizacijo omenjenih proizvodov, ki lahko vodi tudi k izboljšanju funkcionalnosti teh proizvodov.
Obstoja možnost novih raziskovalnih področij, ki segajo izven predstavljenega predloga raziskovalnega projekta in vključujejo razvoj lahkih strukturnih elementov, ki so posebej primerni za avtomobilsko industrijo ter izkazujejo boljše karakteristične lastnosti kot težke komponente. Druga takšna možnost je povezana z optimizacijo dinamičnih karakteristik kompozitnih oblog z namenom povečanja protipotresne odpornosti zgradb.
Pomen za razvoj Slovenije
Layered structures with high-contrast properties of the layers, including lightweight sandwich structures, which also demonstrate a relatively large flexural stiffness, are in a great demand for modern aerospace, automotive, and civil engineering. As mentioned in the previous parts of the project proposal, the requirements to the underlying theories and computational methodologies used in these applications nowadays become very rigorous. Therefore, it is of substantial importance to have efficient theoretical and computational tools for the optimal design, accurate evaluation and qualitative interpretation of mechanical behaviour of such structures. In view of this, the main scientific contribution of the project will be in the establishment of the consistent 2D dynamic models for the multi-parametric analysis of the layered strongly inhomogeneous structures with a special emphasis on the shear and bending waves interaction. This will considerably enrich the existing fundamental knowledge in the general field of structural mechanics, particularly in the area of dynamics of strongly inhomogeneous structures.
Developed comprehensive approach combining analytical, computational and experimental aspects will provide a strong theoretical background for improving and optimizing existing engineering methodologies for solving various issues related to dynamic modelling of high-contrast layered structures, including lightweight sandwich components. It will enable efficient science-based design and mechanical characterization of such products, and may also lead to the improvement of their functionality.
Possible new research areas beyond the proposal involve the development of lightweight structural elements, especially for automotive industry, which exhibit a better performance than their heavyweight counterparts. Another possibility is related to the optimization of dynamic characteristics of composite coatings utilized for increasing seismic building resistance.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
