Mechanika kompozitů (FSI-RMO)

Akademický rok 2019/2020
Garant: Ing. Zdeněk Majer, Ph.D.  
Garantující pracoviště: ÚMTMB všechny předměty garantované tímto pracovištěm
Jazyk výuky: čeština
Cíle předmětu:
Cílem předmětu je získání základních informací a poznatků o mechanickém
chování kompozitních materiálů se zaměřením zejména na kompozity vláknové.
Na základě známých mechanických vlastností složek a geometrické struktury
se určují mechanické a pevnostní vlastnosti kompozitu. Studenti se
seznámí s metodami používanými ke stanovení napjatosti, deformace
a bezpečnosti kompozitních materiálů a typických konstrukcí
z kompozitních materiálů.
Výstupy studia a kompetence:
Získání poznatků o směrovém chování kompozitních materiálu a metodách
používaných pro napěťovou a deformační analýzu a pevnostní kontrolu
kompozitních materiálů a vybraných konstrukcí.
Prerekvizity:
Znalost základních pojmů pružnosti a pevnosti (napětí, hlavní napětí, deformace, přetvoření, obecný Hookeův zákon), membránová teorie skořepin. Základy MKP a elementární znalost práce se systémem ANSYS.
Obsah předmětu (anotace):
Základní pojmy, klasifikace kompozitů. Vláknové kompozity. Mechanické vlastnosti používaných vláken a materiálů matric. Tuhost dlouhovláknových kompozitů v podélném a příčném směru - směšovací pravidlo. Pevnost v podélném a příčném směru. Kritický objem vláken, minimální objem.
Krátkovláknové kompozity, teorie přenosu zatížení. Přenosová a kritická délka. Tuhost a pevnost. Ortotropické vlastnosti jako důsledek struktury vláknových kompozitů, hlavní osy ortotropie. Hookeův zákon anisotropického materiálu, ortotropického materiálu a transversálně ortotropického materiálu v hlavním souřadnicovém systému. Hookeův zákon pro rovinný vláknový kompozit v obecném směru. Podmínky pevnosti 2-D vláknového kompozitu. Konstitutivní vztahy u laminátové stěny a desky, napjatost a deformace. Aplikace na tenkostěnnou laminátovou tlakovou nádobu, pevnostní kontrola.
Metody vyučování:
Předmět je vyučován formou přednášek, které mají charakter výkladu základních principů a teorie dané disciplíny. Cvičení je zaměřeno na praktické zvládnutí látky probrané na přednáškách.
Způsob a kritéria hodnocení:
Zápočet se uděluje na základě úspěšného obhájení závěrečného zápočtového
projektu, majícího charakter výpočtového modelování mechanických
vlastností kompozitního materiálu definované struktury pomocí programu
metody konečných prvků ANSYS.
Zkouška je kombinovaná a obsahuje písemnou část, formou průřezového
testu a následný ústní pohovor.
Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky:
Účast na cvičení je povinná. Omluvená neúčast se nahrazuje samostatným vypracováním úloh podle pokynů vyučujícího.
Typ (způsob) výuky:
    Přednáška  13 × 3 hod. nepovinná                  
    Cvičení s počítačovou podporou  13 × 1 hod. povinná                  
Osnova:
    Přednáška 1.Definice a základní pojmy. Klasifikace kompozitních materiálů dle struktury a materiálu složek.
2.Mechanické vlastnosti typických vláken a matricových materiálů. Chemické složení, způsob výroby.
3.Jednosměrový dlouhovláknový kompozit. Modul pružnosti v tahu a pevnost v podélném směru.
Kritický a minimální objem vláken.
4.Jednosměrový dlouhovláknový kompozit. Modul pružnosti a pevnost v příčném směru. Modul pružnosti ve smyku a Poissonovo číslo.
5.Mechanismy poškozování dlouhovláknových kompozitů při podélném a příčném namáhání v tahu a tlaku.
6.Krátkovláknový jednosměrový kompozit. Teorie přenosu zatížení. Průběh napětí ve vláknu. Přenosová a kritická délka.
7.Krátkovláknový jednosměrový kompozit. Modul pružnosti v tahu v příčném a podélném směru. Pevnost v podélném a příčném směru.
8.Modelování mechanických vlastností kompozitů v rámci mechaniky kontinua. Hlavni ortotropické osy.
9.Hookeův zákon pro isotropický, ortotropický a transversálně ortotropický materiál v hlavních ortotropických směrech.
10.Hookeův zákon pro rovinný ortotropický materiál v obecném směru. Směrová matice tuhosti. Vyvážená orientovaná dvojvrstva.
11.Podmínky pevnosti rovinného kompozitního materiálu maximálního napětí, maximálního přetvoření a Tsai-Hillova energetická podmínka.
12.Konstitutivní vztahy pro složenou laminátovou stěnu a desku.
13.Výpočet napětí a pevnostní kontrola u válcové laminátové stěny.
    Cvičení s počítačovou podporou 1.MKP simulace ohybu sendvičového nosníku.
2.MKP simulace ohybu složitější geometrie tvořené sendvičovými skořepinami.
3.MKP simulace podélné tahové zkoušky vláknového kompozitu-ověření analytických vztahů.
4.MKP simulace příčné tahové zkoušky vláknového kompozitu-ověření analytických vztahů.
5.MKP simulace smykové zkoušky vláknového kompozitu-ověření analytických vztahů.
6.MKP simulace podélné, příčné a smykové zkoušky vláknového kompozitu s využitím homogenizace.
7.Praktická ukázka výroby a zkoušek kompozitů.
8.MKP analýza tlakové nádoby z kompozitních materiálů. Využití layered variant elementů
9.MKP simulace koncentrace napětí ve vláknovém kompozitu.
10.MKP simulace ohybu vláknového kompozitu s hodnocením mezních stavů pomocí kritéria maximálních napětí.
11.MKP simulace deformace vláknového kompozitu, hodnocení mezních stavů s využítím kritéria TSAI-WU, vliv smykového napětí na pevnost kompozitu.
12.MKP simulace delaminace vrstev vláknového kompozitu. Zadání semestrální práce.
13.Kontrola semestrální práce, zápočet.
Literatura - základní:
1. Agarwal,B.D., Broutman,L.J.: Vláknové kompozity, SNTL, Praha, 1987
2. Jones,R.M.: Mechanics of composite materials. Hemisphere Publishing Corporation, New York, 1975
3. Krishan K. Chawla: Composite materials. Science and Engineering. Springer-Verlag, New York, Berlin, Heidelberg, 1998
Zařazení předmětu ve studijních programech:
Program Forma Obor Spec. Typ ukončení   Kredity     Povinnost     St.     Roč.     Semestr  
M2A-P prezenční studium M-IMB Inženýrská mechanika a biomechanika -- zá,zk 5 Povinný 2 1 L