1935182138

1.1 Motywacja i cel pracy 5

optymalizacja konstrukcji ze względu na częstotliwości drgań własnych.

Projektant w dużej mierze musi polegać na własnym doświadczeniu i wyczuciu. W klasycznym podejściu konstruktor, po zapoznaniu się z ograniczeniami, projektuje dany element. Następnie wykonuje niezbędne obliczenia wytrzymałościowe oraz, w razie potrzeby, dokonuje analizy drgań. Jeśli którekolwiek z kryteriów nie jest spełnione, projekt jest poprawiany. Dużą rolę odgrywa doświadczenie projektanta. Aby wspomóc mniej doświadczonych konstruktorów oraz oderwać się od utartych i rutynowych schematów myślowych w niniejszej pracy zaproponowano analizę wrażliwości częstości drgań własnych układu jako narzędzie wspomagające proces projektowania i optymalizacji konstrukcji mechanicznych.

Na rynku brak jest narzędzi do optymalizacji struktur drgających. Zaproponowany oraz zaimplementowany przez autora w programie Metody Elementów Skończonych FEAP (autorstwa prof. Taylora [124]) algorytm analizy wrażliwości konstrukcji ze względu na częstotliwości drgań własnych również nie jest narzędziem uniwersalnym. W rękach biegłego konstruktora znającego jego możliwości może jednak stać się pomocnym i użytecznym narzędziem wspomagającym proces projektowania [17].

Innym aspektem projektowania konstrukcji jest określenie, jak reaguje sam materiał na działanie obciążeń zmiennych w czasie. Należy zauważyć, że zmęczenie materiału może występować również przy obciążeniu konstrukcji stałą silą. Zmienność naprężeń może być spowodowana zmianą położenia elementu. Takim przypadkiem jest np. wirujący wal, obciążony jedynie siłami masowymi.

Stwierdzonym doświadczalnie faktem jest to, że przy działaniu naprężeń zmiennych w czasie pęknięcie elementu (zniszczenie) może nastąpić przy działaniu naprężeń znacznie mniejszych od dopuszczalnych, a nawet poniżej granicy plastyczności. Szacuje się, że w czasach współczesnych ok. 80% ogółu awarii spowodowanych jest zniszczeniem zmęczeniowym. Ukazuje to skalę praktycznego znaczenia problemu zmęczenia materiału, dokładnego oszacowania trwałości zmęczeniowej nowych elementów oraz określenia stopnia zużycia konstrukcji już pracujących [41,129].

Dotychczas przewidywanie trwałości zmęczeniowej części i elementów maszyn oraz innych konstrukcji inżynierskich sprowadza się do znalezienia tych stref, w których konstrukcja jest tak wytężona, że mogą wystąpić pęknięcia zmęczeniowe. Zwykle są to karby, geometryczne nieciągłości prowadzące do spiętrzenia naprężeń. W tych słabych punktach powinna być wykonana szczegółowa analiza naprężeń lub/i odkształceń. Ponieważ analiza naprężeń skomplikowanych układów (różne, nietypowe kształty karbów) jest dość trudna i pracochłonna, inżynier posiłkuje się skatalogowanymi wartościami współczynników koncentracji naprężeń. Katalog zawiera tylko wybrane rodzaje karbów, co sprawia, że niezbędne okazują się dość znaczne uproszczenia modelu obliczeniowego. Dość oczywistym rozwiązaniem problemu analizy naprężeń skomplikowanych konstrukcji jest zastosowane Metody Elementów Skończonych (MES). Autorzy europejskiej normy EN 13445 [4] wskazują, że wykorzystanie MES w badaniach zmęczenia