Ograniczanie wyników
Czasopisma help
Autorzy help
Lata help
Preferencje help
Widoczny [Schowaj] Abstrakt
Liczba wyników

Znaleziono wyników: 23

Liczba wyników na stronie
first rewind previous Strona / 2 next fast forward last
Wyniki wyszukiwania
Wyszukiwano:
w słowach kluczowych:  mikromechanika
help Sortuj według:

help Ogranicz wyniki do:
first rewind previous Strona / 2 next fast forward last
EN
Advances in cementitious composites and nanotechnologies have led to the development of self-compacting concrete (SCC) modified with nanoparticles. SCC with Al2O3 nanoparticles was used in this study. In addition, a reference sample of SCC without an addition of nanoparticles was investigated. First, the micro-mechanical properties of each phase of the composites were examined using the statistical nanoindentation techniques and deconvo-lution. Then, the interfacial transition zone (ITZ) was investigated using line indentation and X-ray microCT. The results indicated that the ITZ played no significant role in the compo-sites. Subsequently, modified Mori–Tanaka and self-consistent homogenization schemes, accounting for random variability of constituent properties, were applied to evaluate the overall elastic properties of the composites. Then, macroscale laboratory (uniaxial compres-sion) tests were carried out to verify the adopted approach. The results of the micro- and macroscale tests showed that the proposed laboratory investigation procedure and homog-enization approach were proper. Finally, the modified Mori–Tanaka scheme was used to verify the influence of material composition on the effective elastic modulus of SCC with Al2O3 nanoparticles.
2
Content available remote Assessment methods of mechanical properties of composite materials
EN
The paper deals with a specific kind of imperfection in multilayered composite structures as thickness deviation. During manufacturing process the layers are laminated together with resin. Lack of accuracy or some errors during autoclaving process could contribute to thickness deviation when thin layer of resin remains between plies. This is particularly important in the case of hybrid laminates as Fibre Metal Laminates (FML). Therefore, the aim of this work is to determine the impact of thickness imperfection on the variation of effective mechanical properties of FML thin-walled panels. Two methods have been considered in the study: assumption of additional resin/matrix layer in a stacking sequence and a correction of fibre volume fraction in composite layers. A full 3-2 FML lay-up has been analyzed using Classical Lamination Plate Theory with connection to two micromechanical approaches: analytical (Rule of Mixture) and numerical (Finite Element Method). Results of calculations were verified by conducted experimental tests.
EN
This study investigates the tensile performance a one-part strain hardening geopolymer composite (SHGC) reinforced by ultra-high-molecular-weight polyethylene (PE) fibers. The developed composite as a “dry mix” uses a small amount of solid activator rather than large quantities of commonly used alkaline solutions and eliminates the necessity for heat curing. The quantitative influences of curing condition (heat and ambient temperature curing) and type of fiber (poly vinyl alcohol (PVA) and PE fibers) on the macroscale properties of the matrix and composite including workability, density, compressive strength, and uniaxial tensile performance were evaluated. A micromechanics-based investigation was performed to explain the experimentally observed macroscopic high tensile ductility of the developed one-part PE-SHGCs. The investigation involved determination of the matrix fracture properties and the fiber–matrix interface properties using fracture toughness tests and single-fiber pullout tests, respectively. The fiber-bridging constitutive law of the composites was computed via a micromechanics-based model to link the material microstructures to macroscopic composite tensile performance. The results indicated that the ambient temperature curing increased the compressive and tensile strengths, but reduced the tensile ductility of the one-part PE-SHGCs. The one-part PE-SHGCs exhibited lower compressive and tensile strengths, but higher tensile ductility compared to the one-part PVA-SHGC.
EN
This research focuses on studying the effect of the constitutive law adopted for a matrix material on the compressive response of a unidirectional fiber reinforced polymer matrix composite. To investigate this effect, a periodic unit cell model of a unidirectional composite with an initial fiber waviness and inelastic behavior of the matrix was used. The sensitivity of the compressive strength to the hydrostatic pressure, the flow rule and the fiber misalignment angle were presented. The model was verified against an analytical solution and experimental data. Results of this study indicate that a micromechanical model with correctly identified material parameters provides a useful alternative to theoretical models and experimentation.
EN
Particle-reinforced composite materials very often provide unique and versatile properties. Modelling and prediction of effective heterogeneous material behaviour is a complex problem. However it is possible to estimate an influence of microstructure properties on effective macro material properties. Mentioned multi-scale approach can lead to better understanding of particle-reinforced composite behaviour. The paper is focused on prediction of an influence of particle shape on effective elastic properties, yield stress and stress distribution in particle-reinforced metal matrix composites. Design/methodology/approach: This research is based on usage of homogenization procedure connected with volume averaging of stress and strain values in RVE (Representative Volume Element). To create the RVE geometry Digimat-FE software is applied. Finite element method is applied to solve boundary value problem, in particular a commercial MSC.Marc software is used. Findings: Cylindrical particles provide the highest stiffness and yield stress while the lowest values of stiffness and yield stress are connected with spherical particles. On the other hand stress distribution in spherical particles is more uniform than in cylindrical and prismatic ones, which are more prone to an occurrence of stress concentration. Research limitations/implications: During this study simple, idealised geometries of the inclusions are considered, in particular sphere, prism and cylinder ones. Moreover, uniform size and uniform spatial distribution of the inclusions are taken into account. However in further work presented methodology can be applied to analysis of RVE that maps the real microstructure. Practical implications: Presented methodology can deal with an analysis of composite material with any inclusion shape. Predicting an effective composite material properties by analysis of material properties at microstructure level leads to better understanding and control of particle-reinforced composite materials behaviour. Originality/value: The paper in details presents in details an investigation of influence of inclusion shape on effective elastic-plastic material properties. In addition it describes the differences between stress distributions in composites with various inclusion shapes.
EN
Wear mechanisms of multilayer TiN/Ti/a-C:H coatings were investigated by transmission electron microscopy technique. Mechanical properties of the TiN/Ti/a-C:H multilayer coating were tested by a ball-on-disk. Microstructure of the coatings was analyzed after the mechanical treatment. Two types of wear mechanisms were discovered: cracking layer by layer remove and tribofilm formation. Cracking was performed by the ‘layers motion’ mechanism. After a one layer step movement they were fixed again. Tribofilm was built of two types of fractions. One was homogenous, the second one had layered structure. The qualitative chemical EDS analysis showed, that titanium oxide dominated in the homogenous area, while in the layered structure partial graphitization process was found. The graphite formation during the wear process, from the carbon phase presented in the coating, is a beneficial phenomenon due to the fact that graphite is a very good lubricant. The presence of the graphite phase in the tribofilm has been confirmed by the qualitative EDS chemical analysis, electron diffraction pattern and the high resolution technique. The article presents new ideas and techniques in materials science, especially in surface engineering, as well as in mechanics and mechanisms of wear of multilayer coatings.
7
PL
Niniejsza rozprawa poświęcona jest mikromechanicznemu modelowaniu metali i stopów o wysokiej wytrzymałości właściwej. Metale i stopy charakteryzujace sie wysokim stosunkiem wytrzymałości i sztywności do gęstości materiału (np. stopy magnezu i tytanu, zwiazki miedzymetaliczne Ti-Al), wykazują zwykle niską ciągliwość i formowalność. Te niepożądane cechy ograniczają ich potencjalnie liczne zastosowania w przemyśle (Appel andWagner [6], Agnew et al. [2], Proust et al. [169], Mróz [141], Lasalmonie [110]). Wskazana kombinacja własności jest wynikiem mikrostruktury. W większości opisywanych materiałów mamy do czynienia z niską symetrią sieci (np. symetria heksagonalna A3 w przypadku stopów Mg i Ti lub symetria tetragonalna dla y-TiAl), a w konsekwencji z niewystarczajacą liczbą łatwych systemów poślizgu uruchamiajacych się podczas deformacji niesprężystych. W wielu przypadkach nie jest spełniony warunek Taylora, to znaczy liczba niezależnych łatwych systemów poślizgu, które są dostępne dla materiału, jest mniejsza od pięciu. Brak ten może być częściowo zrekompensowany przez inny mechanizm deformacji plastycznej - bliźniakowanie, Christian and Mahajan [36]. Analogiczny zespół zjawisk zachodzących na poziomie mikro jest obserwowany w przypadku stopów cyrkonu lub zwiazków miedzymetalicznych Fe-Al. Materiały te nie wykazują wysokiej wytrzymałości własciwej ale charakteryzują się wyjątkową odpornością na korozje. Dla wielu z wyżej wspomnianych metali i zwiazków miedzymetalicznych częste jest również występowanie substruktur lamelarnych powstałych na skutek obróbki termicznej, bądź tworzących się podczas bliźniakowania mechanicznego. Pojawienie się tego typu mikrostruktury wpływa na aktywność poszczególnych modów deformacji promując te sposród nich, które mają korzystną orientację względem geometrii laminatu (Lebensohn et al. [113], Proust et al. [169]). Oba fakty, to jest niespełnienie warunku Taylora przez zbiór możliwych łatwych systemów poślizgu oraz występowanie kierunkowych efektów typu Halla-Petcha związanych z istnieniem substruktury lamelarnej, wskazują na istnienie wiezów nałożonych na deformację niesprężysta na poziomie mikro pojedynczego ziarna. Na skutek powyższych cech omawianych materiałów, w procesach formowania wyrobów, np. walcowania, tworzą sią silne tekstury krystalograficzne, co na poziomie makroskopowym manifestuje się znaczącą anizotropią właściwości. Celem rozprawy jest opracowanie różnych metod mikromechanicznej analizy sprężysto-(lepko)plastycznych polikryształów metali i stopów o wysokiej sztywności i wytrzymałości właściwej. Oryginalne aspekty prezentowanych rezultatów to: - opis konstytutywny pojedynczego ziarna uwzgledniający sprzężenia zachodzące pomiędzy mechanizmami poślizgu i bliźniakowania, - opracowanie nowego schematu reorientacji ziarna na skutek bliźniakowania, słuzącego modelowaniu ewolucji tekstury krystalograficznej, - adaptacja zaproponowanego modelu pojedynczego ziarna deformującego się przez poślizg i bliżniakowanie w ramach różnych schematów przejścia mikro-makro i weryfikacja jego przewidywań pod względem makroskopowej odpowiedzi materiału oraz ewolucji tekstury krystalograficznej, - wykorzystanie niezmienników tensora IV-ego rzędu wynikających z rozkładów inwariantnych takiego tensora do znalezienia nowych zależności opisujących standardowe oszacowania właściwości makroskopowych (oszacowania Voigta i Reussa, Hashina-Shtrikmana, estymator wewnętrznie- zgodny), - sformułowanie warunków i dowód istnienia wewnętrznie-zgodnego oszacowania właściwości makroskopowych dla szerokiej klasy polikryształów z więzami nałożonymi na deformacje na poziomie lokalnym, w przypadku liniowych praw konstytutywnych, - numeryczne studium wpływu więzów nałożonych na deformację wynikających z niespełnienia warunku Taylora, jednokierunkowości mechanizmu bliźniakowania oraz występowania substruktur lamelarnych, na makroskopowa odpowiedz polikryształów metali opisanych nieliniowymi prawami konstytutywnymi, - sformułowanie trójskalowego modelu polikryształu o substrukturze lamelarnej w zakresie duzych deformacji niesprezystych, - opracowanie nowej metody przejscia mikro-makro dla sprezysto-lepkoplastycznych materiałów niejednorodnych bazujacej na zaproponowanej sekwencyjnej linearyzacji nieliniowej odpowiedzi materiału. Rozprawa składa sie z siedmiu rozdziałów. Rozdział pierwszy wskazuje motywacje do podjecia dyskutowanego zagadnienia, omawia cel i zakres podjętych badań oraz ich znaczenie, zawiera również uwagi dotyczące notacji zastosowanej w monografii. Ostatni rozdział podsumowuje najważniejsze rezultaty i płynące z nich wnioski oraz wskazuje kierunki możliwych dalszych badań. Praca uzupełniona jest trzema aneksami omawiającymi istotne narzędzia wykorzystane w modelowaniu: rozkład spektralny i harmoniczny tensora czwartego rzędu typu Hooke'a (Rychlewski [176, 178]) rozwiazanie Eshelby'ego oraz podstawy modelu wewnętrznie-zgodnego (self-consistent) ciał niejednorodnych (Eshelby [49], Hill [67], Li and Wang [120]), a także zagadnienia związane z implementacją numeryczną proponowanego podejścia. Monografię zamyka spis cytowanej literatury.
EN
The thesis reports the research effort aimed at the micromechanical description of various phenomena characteristic for elastic-viscoplastic deformations of polycrystalline materials. The attention has been focused on metals and alloys of high specific strength, in which the inelastic deformation at the local level is constrained by an insufficient number of easy deformation modes and the presence of lamellar substructure. The monograph consists of seven chapters. The first chapter has an introductory character. It outlines the motivation and scope of the thesis and indicates fields of applicability of the results obtained. In Chapter 2 a model of a single crystal deforming by slip and twinning is proposed, together with a new reorientation scheme formulated in order to account for appearance of twin-related orientations in polycrystalline aggregates. In the second part of the chapter an implementation of this model within known scale transition schemes is discussed. The validation of the proposed framework, when modelling the overall response and texture evolution for polycrystalline materials of high specific strength, is presented. In Chapter 3 a theoretical analysis of bounds and self-consistent estimates of overall properties of polycrystals of low symmetry, particularly those characterized by the constrained deformation at the local level, is performed. In the study two invariant decompositions of Hooke's tensors are employed. In Chapter 4 predictions of different extensions of the self-consistent method applicable to non-linear viscoplastic crystals of strong anisotropy are analysed. In Chapter 5 a micromechanical three-scale model of polycrystals of lamellar substructure is discussed, together with its extension to the large strain framework. An influence of the confinement effects induced by lamellar substructure on the overall response of polycrystals is evaluated. In Chapter 6 a new method of sequential linearisation of elastic-viscous response is presented. The procedure developed is applied to extend the self-consistent averaging scheme to elastic-viscoplastic heterogeneous materials. The last chapter recapitulates the most important conclusions and includes an outlook for future research employing the developed modelling tools.
EN
The paper addresses various scale-bridging modeling and discretization strategies for multiphase porousmaterials, starting with a micromechanics model for ion transport within the pore space to generate homogenized diffusion coefficients. Using homogenized macroscopic properties, the theory of poromechanicsprovides the modeling framework for the macroscopic representation of transport and phase change processes as it is demonstrated for freezing of porous materials using a three-field formulation. The theory of poromechanics is again employed as an appropriate representation of more or less intact porous materials, in conjunction with a two-field Extended Finite Element model as a scale bridging tool to describe coupledhydro-mechanical processes in cracked porous materials at a macroscopic level.
EN
Micromechanical model of polycrystalline materials with lamellar substructure is presented. The lamellar microstructure of grains is accounted for using the well-established framework developed for layered composites. Within the approach different scale transition rules between the level of lamellar grain and the polycrystalline sample can be employed. The model capabilities are tested using the example of α2 + γ-TiAl intermetallic. Elastic properties and the initial yield surface for the lamellar grain (PST crystal) and for the untextured polycrystal are estimated. Elastic and plastic anisotropy degree is analyzed.
PL
Zaprezentowano model mikromechaniczny materiałów polikrystalicznych o substrukturze lamelarnej. Substruktura laminatu obserwowana dla pojedynczego ziarna została uwzględniona przy wykorzystaniu tradycyjnego podejścia przyjmowanego w przypadku kompozytów warstwowych. W ramach proponowanego podejścia stosowane być mogą różne schematy przejścia mikro-makro z poziomu ziarna o substrukturze laminatu do poziomu polikryształu. Możliwości modelu zostały przetestowane na przykładzie intermetaliku α2 + γ-TiAl. Wyznaczono własności sprężyste i początkową powierzchnię płynięcia pojedynczego kryształu o substrukturze lamelarnej i polikryształu bez tekstury. Przeanalizowano stopień anizotropii własności sprężystych i plastycznych.
EN
One of the key aspects governing the mechanical performance of composite materials is debonding: the local separation of reinforcing constituents from matrix when the interfacial strength is exceeded. In this contribution, two strategies to estimate the overall response of particulate composites with rigidbrittle interfaces are investigated, The first approach is based on a detailed numerical representation of a composite microstructure. The resulting problem is discretized using the Finite Element Tearing and Interconnecting method, which, apart from computational efficiency, allows for an accurate representation of interfacial tractions as well as mutual inter-phase contact conditions. The candidate solver employs the assumption of uniform fields within the composite estimated using the Mori-Tanaka method. A set of representative numerical examples is presented to assess the added value of the detailed numerical model over the simplified micromechanics approach.
11
Content available remote Selected topics of contemporary solid mechanics
EN
This book contains extended abstracts of papers presented at the 36th SolidMechanics Conference held in Gdańsk, Poland, on September 9-12, 2008. The Conference was organized by Institute of Fundamental Technological Research of the Polish Academy of Sciences. It follows the traditionally organized series of conferences initiated by the 1st Polish Solid Mechanics Conference in 1953. During the conferences a large number of prominent researchers visited Poland, presented their recent results and established permanent cooperation with Polish partners, often resulting with valuable joint research results. Such joint papers are also published in this volume. The progress in mechanics, both theory and technology, is so rapid that every two years the Conference is organized we are forced to pay attention to new ideas in all areas of solid mechanics. This time the conference concentrated on such fields as: biomechanics, micromechanics, geo-mechanics, elastic-plastic continuum and other field theories of solids, fracture and damage mechanics and fatigue of advanced materials, thermomechanics, phase transitions and shape memory materials, mechanics of structures and optimization, shells - theory and computations, coupled problems - thermodynamics of solid-fluid systems, smart structures and computational aspects of solid mechanics and applications. These problems were presented in ten Solmech 2008 sessions and are now presented in ten main parts of this volume, with eight general lectures included in the parts according to their subject. Two special sessions are dedicated to Professors Wojciech K. Nowacki and Bogdan Raniecki on the occasion of their 70 birthdays. They made significant scientific contributions to several branches of solid mechanics and educated a large number of researchers. Many friends and colleagues around the world have contributed to their Anniversary Solmech Sessions: Elastic-Plastic Continuum and other Field Theories dedicated to Professor Wojciech Nowacki and Thermomechanics, Phase Transitions and Shape Memory Materials dedicated to Professor Bogdan Raniecki. The papers published in this volume are the result of extensive work of their authors, covering wide area of the contemporary mechanics. The publication would not be possible without consistent efforts of members of the Solmech 2008 Committees and the sessions' organizers. The editors are grateful to the authors of conference presentations for careful preparation of the manuscripts and all our colleagues involved in organization of the conference for their continued support and help.
PL
W pracy zaprezentowano podejście mikromechaniczne do zagadnienia prognozowania wytrzymałości drewna na ściskanie w poprzek włókien. Mechanizmem wywołującym takie zniszczenie jest powstawanie po przekroczeniu obciążenia krytycznego w ściankach komórek osiowych przegubów plastycznych. Analiz ściskania drewna w poprzek włókien przeprowadzono na elemencie reprezentatywnym z wykorzystaniem metody elementów skończonych.
EN
A micromechanics approach to modeling of crushing failure of wood under compression condition at radial direction (perpendicular to year rings) was considered in this paper. This kind of failure is controlled by plastic collapse of tracheids. The present issue was considered by using the representative volume element (RVE) analysis and the finite element (FE) method.
PL
Artykuł prezentuje nową metodę szacowania efektywnych parametrów transportu materiałów kompozytowych. Sformułowana w pracy procedura hybrydowa wykorzystuje metodę objętości skończonych oraz uogólnioną metodę komórek (GMC). Efektywność oraz skuteczność proponowanej metody przetestowano z odpowiednimi rozwiązaniami otrzymanymi metodą elementów skończonych. Do wyznaczania parametrów efektywnych kompozytów losowych zaproponowano wykorzystanie, dodatkowo, metody Monte Carlo.
EN
In this paper the new method for predicting the effective transport properties of random composites is formulated. Proposed method is based on Finite volume method and the generalized method of cells (GMC). For deterministic microstructure the efficiency ofthe method is presented by comparing with the result obtained by finite element method. The problem of random composites is solved by making use of Monte Carlo simulations. Two different approaches for predicting effective properties of random composites are presented and compared.
PL
Opisano proces wytwarzania podwieszanych belek wykorzystujący głębokie trawienie monokrystalicznego GaAs. Przetestowano dwa systemy trawiące: na bazie kwasu fosforowego i cytrynowego. Najlepsze wyniki, zapewniające wytworzenie regularnych podwieszanych struktur uzyskano w roztworze kwasu cytrynowego w podwyższonej temperaturze przy użyciu maski z pozytywowego fotolakieru AZ 1813. Wytworzone struktury dają możliwość monolitycznej integracji z przyrządami elektronicznymi i optoelektronicznymi.
EN
The process of fabrication of suspended beams utilizing deep anisotropic etching of monocrystalline GaAs substrate has been described. Two etching formulas, based on citric and phosphoric acid have been tested. The best results, assuring successful fabrication of suspended structures were achieved in citric acid based solution at elevated temperature with AZ 1813 positive photoresist as etching mask. Obtained structures provide a great potential for monolithic integration with electronic or optical devices.
15
Content available remote Dokładność kinematyczna miniaturowych sprzęgieł
PL
W analizie niedokładności precyzyjnych układów napędowych często pomija się błędy powodowane przez zastosowane w nich sprzęgła. Autorzy, podając przykładowe dane z pomiarów niedokładności przekazywania przemieszczenia kątowego przez sprzęgła, zwracają uwagę na konieczność uwzględnienia ich wpływu w obliczeniach niedokładności układów służących do przenoszenia ruchu obrotowego.
EN
Wood exhibits an intrinsic structural hierarchy. It is composed of wood cells, which are hollow tubes oriented in the stem direction. The cell wall is built up by stiff cellulose fibrils which are embedded in a soft polymer rnatrix. This structural hierarchy is considered in a four-step homogenization scheme, predicting the macroscopic elastic behavior of different wood species from tissue-specific chemical composition and microporosity, based on the elastic properties of nanoscaled universal building blocks. Special attention is paid to the fact that the fibrils are helically wound in the cell wall, at an angle of 0°-30°, generally denoted as microfibril angle. Consideration of this microfibril angle in the continuum micromechanics model for wood is mandatory for appropriate prediction of macroscopic stiffness properties, in particular of the longitudinal elastic modulus and the longitudinal shear modulus. The presented developments can be readily extended to the prediction of poroelastic properties, such as Biot and Skempton coefficients.
PL
W pracy przedstawiono wyniki badań dotyczące wpływu rodzaju zastosowanego kruszywa na parametry mechaniki pękania betonów konstrukcyjnych. Badaniom poddano betony wykonane z dwóch rodzajów kruszywa: łamanego wapiennego (W) i otoczkowego żwirowego (Ż). Badania odporności na pękanie przeprowadzono z zastosowaniem I modelu pękania (rozciąganie przy zginaniu) oraz według II modelu pękania (ścinanie).
EN
The article presents the results of studies on the effect of aggregate on the fracture parameters of constructional concretes. Subjected to testing were concretes made of two different types of coarse aggregate: broken limestone aggregate (W) and cobble gravel aggregate (Ż). Facture toughness tests were carried out using Mode I of facture (tension with bending) and Mode II of fracture (shearing).
18
Content available remote Micromechanicsk of contact and interphase layers
EN
This thesis presents several aspects of micromechanics of interfaces, interface layers, and materials with propagating phase transformation fronts. Two application areas are addressed, namely contact of rough bodies and martensitic microstructures in shape memory alloys. The objective is to develop micromechanical modelling tools suitable for the analysis of this class of problems and also to provide several specific applications motivated by scientific and technological interest. Chapter 1 has an introductory character and outlines the micromechanical point of view adopted in this thesis, as well as the scope and the objectives of the work. Chapter 2 presents selected basic concepts, definitions, and relationships which are frequently referred to throughout the thesis. The interior-exterior decomposition and the compatibility conditions are introduced. Furthermore, elements of homogenization with the spccification for simple laminates, including explicit micro-macro transition relations, are provided as a basis for thc micromechanical analysis of evolving martensitic microstructures. The introduction to homogenization serves also as a reference for the micromechanical analysis of boundary layers carried out in Chapters 4 and 5. The first part of the thesis, Chapters 3, 4, 5, and 6, is concerned with the micromechanics of contact interactions of rough bodies. Chapter 3 is mostly devoted to modelling of evolution of real contact area in metal forming processes. An introductory discussion of thin homogeneous laycrs is also provided and constitutive relations in a mixed form are introduced for elastic, elasto-plastic, and rigid-plastic material models. This formalism is next applied to derive a phenomenological model of real contact area evolution which accounts for the effect of macroscopic plastic deformations on asperity flattening. The phenomena and effects discussed in Section 3.3 constitute one of thc motivations of the subsequent micromechanical analysis of contact boundary layers, which is presented in Chapters 4, 5, and 6. Boundary layers induced by micro-inhomogeneous boundary conditions are studied in Chapter 4. The notion of the macro- and micro-scale is introduced and the method of asymptotic expansions is applied in order to derive the equations of the corresponding macroscopic and microscopic boundary value problems. While contact of rough bodies is the main interest of this part of the thesis, two simpler, but closely related, cases of prescribedv micro-inhomogeneous tractions and displacements are considered in detail, in addition to the case of frictional contact of a rough body with a rigid and smooth obstacle. In Chapter 5, a micromechanical framework is developed for the analysis of the boundary layers discussed in Chapter 4. A special averaging operation is defined, and several properties of the corresponding averages of the boundary layer fields are derived. As an illustration, the framework is applied to analyse the boundary layer induced in an elastic body by a sinusoidal fluctuation of surface traction. The finite element analysis of contact boundary layers, carried out in Chapter 6, concludes the first part of the thesis. Implementation issues are discussed, and two representative asperity interaction problems of asperity ploughing and asperity flattening in elasto-plastic solids are analyzed. In the latter case, a real three-dimensional topography of a sand-blased surface is considered, and experimental verification of the developed finite element model is performed. In the numerical examples, attention is paid to the interaction of the homogeneous macroscopic deformation with the deformation inhomogeneities within the boundary layer, and the related effects of the macroscopic in-plane strain on the macroscopic contact response are studied. Chapter 7, 8, and 9, constituting the second part of the thesis, are concerned with moddeling of martensitic microstructures in shape memory alloys (SMA). Chapter 7 is a brief introduction to the topic. Basic concepts and phenomena are introduced, and the crystallographic theory of martensite is outlined for both the internally twinned and internally faulted martensites. In Chapter 8, micromechanical modelling of evolving laminated microstructures in SMA single crystals is carried out. The martensitic transformation under stress is assumed to proceed by the nucleation and growth of parallel martensitic plates. The corresponding micromechanical model is developed by combining a micro-macro transition scheme with a rateindependent phase transformation criterion based on the local thermodynamic driving force on the phase transormation front. Macroscopic constitutive rate-equations are derived for the case of an evolving rank-one laminate. Finally, the macroscopic pseudoelastic response of single crystals of Cu-based shape memory alloys is studied along with the corresponding evolution of the microstructure, including the effects related to detwinning. A simple model of the stress-induced martensitic transformation in macroscopically adiabatic conditions is also discussed. In the modelling and in the applications, full account is taken for distinct elastic anisotropy of the phases which leads to the redistribution of internal stresses and to the related softening effect during progressive transformation. In Chapter 9, an approach is developed for prediction of the microstructure of stress-induced martensitic plates at the initial instant of transformation. Microstructural parameters and the transformation stress are obtained as a solution of the minimization problem for load multiplier, and the predicted microstructures are, in general, different from those following from the classical crystallographic theory of martensite. The approach is then applied for CuZnAl single crystals undergoing stress-induced cubicto-monoclinic transformation, and the effects of the stacking fault energy, loading direction, and temperature on the predicted microstructures are studied.
PL
Mikromechanika materiałów niejednorodnych pozwala przewidywać ich właściwości makroskopowe na podstawie znanych właściwości, mikrostruktury oraz mechanizmów deformacji w skali mikro. Jest więc atrakcyjnym i efektywnym narzędziem nowoczesnej mechaniki materiałów. Niniejsza rozprawa habilitacyjna jest poświęcona mikromechanicznemu modelowaniu warstw i powierzchni. W mechanice ośrodków ciągłych makroskopową powierzchnię o zerowej grubości można zazwyczaj traktować w skali mikro jako warstwę o grubości niezerowej, charakteryzującą się pewną mikrostrukturą. Celem analizy mikromechanicznej jest wtedy określenie makroskopowych właściwości takiej powierzchni w zależności od jej mikrostruktury i zjawisk zachodzących w skali mikro. W pierwszej części niniejszej rozprawy, w rozdziałach 3-6, powyższe podejście mikromechaniczne wykorzystano do analizy warstw kontaktowych. Mikrostrukturę warstwy kontaktowej tworzą w tym przypadku chropowatość oddziałujących powierzchni i związane z nią niejednorodności deformacji w warstwie wierzchniej . Mikromechanika powierzchni obejmuje również prowadzoną w różnych skalach analizę materiałów, które zawierają powierzchnie (warstwy) międzyfazowe i w których te powierzchnie zasadniczo wpływają na makroskopowe właściwości tych materiałów. Z taką sytuacją mamy do czynienia, na przykład, w materiale podlegającym przemianie fazowej, w której trakcie następuje propagacja frontów przemiany fazowej i związana z nią ewolucja mikrostruktury materiału. Analizie mikromechanicznej i modelowaniu ewolucji warstwowych struktur martenzytycznych, naprężeniowo indukowanych w kryształach stopów z pamięcią kształtu, poświęcona jest druga część niniejszej rozprawy, rozdziały 7-9. Unikalne zachowanie i właściwości tych materiałów, podlegających martenzytycznej przemianie fazowej, wynikają ze zjawisk zachodzących w skali mikro na frontach przemiany fazowej. Podstawowym celem niniejszej pracy jest opracowanie metod mikromechanicznej analizy warstw i powierzchni. Podejście mikromechaniczne jest niezwykle atrakcyjne, gdyż pozwala przewidywać właściwości makroskopowe przy wykorzystaniu znanych i lepiej określonych praw i właściwości w skali mikro. Celem pracy jest również rozwiązanie, z wykorzystaniem opracowanych narzędzi, konkretnych zagadnień z zakresu stosowanej mechaniki materiałów. Zastosowania opisane w pracy dotyczą dwóch obszarów tematycznych (mikromechanika warstw kontaktowych oraz ewolucja mikrostruktur martenzytycznych w stopach z pamięcią kształtu). Choć zjawiska leżące u ich podstaw są zdecydowanie różne, w obu przypadkach zasadniczym elementem, którego nie można pominąć przy próbach modelowania, są powierzchnie i warstwy, a także zjawiska zachodzące w tych warstwach. Wspólne ujęcie obu obszarów zainteresowań w niniejszej rozprawie pozwoliło na poszerzenie zakresu analizowanych konfiguracji (warstwy jednorodne i niejednorodne, warstwy o grubości infinitezymalnej lub skończonej, układy o znanej lub nieznanej mikrostrukturze). Cechą wspólną wszystkich analizowanych przypadków jest również centralna rola warunków zgodności (Rozdział 2.4) w opisie mechaniki warstw i powierzchni. Szczegółowe wnioski płynące z niniejszej pracy podano na końcu każdego rozdziału. Otrzymane wyniki w pełni potwierdzają znane zalety podejścia mikromechanicznego. Zjawiska w skali mikro, które poddaje się analizie w celu opisania zjawisk i wyznaczenia efektywnych właściwości własności skali makro, są zazwyczaj lepiej poznane i łatwiejsze w opisie. Opis mikromechaniczny wymaga też wprowadzania mniejszej liczby parametrów materiałowych, dodatkowo mających jasną interpretację fizyczną. W pracy wskazano również na ograniczenia podejścia mikromechanicznego. Dokładność opisu zależy od dokładności, z jaką jesteśmy w stanie scharakteryzować mikrostrukturę i zachowanie w skali mikro. Ponadto, modelowanie mikromechaniczne w.ymaga często znaczących nakładów obliczeniowych, co wskazuje na potrzebę równoległego rozwijania modeli fenomenologicznych, które w możliwie dużym stopniu powinny korzystać z przesłanek płynących z mikromechaniki. Układ pracy jest następujący. Rozdział 1 stanowi wstęp zawierający motywację, zakres oraz cel badań. Rozdział 2 zawiera te podstawowe (i zazwyczaj dobrze znane) elementy współczesnej mikromechaniki, które są wykorzystane w kolejnych częściach pracy: rozkład symetrycznego tensora na składowe wewnętrzną i zewnętrzną względem wyróżnionej powierzchni; podstawowe elementy teorii homogenizacji; warunki zgodności na powierzchni nieciągłości; równania przejścia mikro-makro dla prostego laminatu dwufazowego. W rozdziałach 3-6 oraz 8-9 zamieszczono oryginalne wyniki badań własnych, częściowo opublikowane w pracach (124, 128-133). Rozdział 7 jest krótkim wprowadzeniem do mikrostruktur martenzytycznych. Rozdział 10 zawiera podsumowanie, wnioski oraz perspektywy dalszych badań.
PL
Omówiono, zilustrowane konkretnymi przykładami, zastosowania metody asymptotycznej homogenizacji do modelowania procesów fizycznych zachodzących w ośrodkach gruntowych i skalnych. Metoda homogenizacji polega na przejściu z opisem matematycznym rozważanego procesu fizycznego ze skali niejednorodności (skala porów), gdzie rozważane pola fizyczne charakteryzują się dużymi nieciągłościami, do skali nas interesującej - makroskopowej. W wyniku tej procedury opis rozważanego zjawiska jest charakteryzowany uśrednionymi, lecz ciągłymi już, polami fizycznymi, a zatem może być zastosowany do konkretnych obliczeń inżynierskich. Metoda ta ponadto jednoznacznie definiuje parametry efektywne otrzymanego opisu matematycznego w funkcji lokalnych parametrów analizowanego procesu fizycznego oraz geometrii wewnętrznej ośrodka. Umożliwia to między innymi analizę wpływu struktury wewnętrznej ośrodka na wartości parametrów efektywnych otrzymanego makroskopowego opisu procesu. Z wielu możliwych zastosowań metody homogenizacji związanych z mechaniką ośrodków gruntowych i skalnych omówiono niektóre, dotyczące modelowania i analizy procesów zachodzących w tych ośrodkach, przede wszystkim wtedy, gdy są one nasycone cieczą lub gazem, tzn.: procesów filtracji, konsolidacji, sorpcji oraz pęcznienia, podając oryginalne rozwiązania. Przedstawiono zwłaszcza wpływ mikrostruktury ośrodków porowatych na wartości stałych materiałowych teorii porosprężystości Biota. Zweryfikowano tzw. koncepcję naprężenia efektywnego w zakresie zachowania niesprężystego nasyconego ośrodka porowatego, podając równocześnie metody przybliżone konstrukcji powierzchni plastyczności dla tych ośrodków. Sformułowano ogólną strukturę opisu matematycznego nasyconych ośrodków porowatych w przypadku deformacji plastycznych. Zaproponowano model matematyczny mechanicznego zachowania się ośrodków porowatych nasyconych płynem, w których proces pęcznienia ciała stałego jest wynikiem sorpcji. Pracę kończą przykłady zastosowania metody homogenizacji jako narzędzia obliczeniowego użytecznego w praktyce inżynierskiej.
EN
Some applications of asymptotic homogenisation method in mathematical modelling of physical processes that take place in soil and rock media have been presented. Special emphasis has been put on the analysis and modelling of the phenomena associated with saturated soil and rock media, i.e. on filtration, consolidation, sorption and swelling processes. In chapter 2 are surveyed and compared different formulations and techniques of homogenisation method. In particular, this chapter gives a detailed account of formulation called as smoothing theory and as mathematical homogenisation theory. It gives basic principles and properties of some techniques, i.e. volume and weight averaging, continuum micro-mechanics, asymptotic homogenisation, two-scale convergence as well as F-convergence. Special attention is paid to the asymptotic homogenisation method for periodic structures. Some methods of effective properties estimation for random media are also presented. Chapter 3 is devoted to Biot's poroelasticity theory. First, general relations linking the macroscopic poroelastic coefficients with the averaged micromechanical solutions are derived. Considering a variational formulation of appropriate boundary value problems stated for the representative volume element, microstructural parameters affecting the values of poroelstic constants are then identified. A strong dependence of the poroelastic coefficients on the internal geometry of pores as well as on the global porosity of the medium is clearly pointed out. Quantitative effect of these parameters on the values of coefficients examined is presented for simplified pores geometries for which numerical calculations have been carried out. The mathematical modelling of plastic deformation of saturated porous media is a subject of chapter 4. First, a mathematical description valid at the pore level is "upscaled" using the asymptotic homogenisation technique. It is shown that proper macroscopic description should involve, besides strain tensor, also the porosity variation as the second kinematic variable. The macroscopic principle of maximum plastic dissipation is formulated. Then validity and limits of the effective stress concept for saturated porous media are studied in the plastic domain. It is proved that, in general, an effective stress tensor fulfilling stress equivalence principle cannot be defined for an arbitrary porous medium. The effective stress tensor canned be, however, defined for a porous medium composed of homogeneous skeleton. A new formulation of the method of yield function for saturated material based on yield function for dry material is proposed. In chapter 5, the phenomena of sorption and sorption swelling taking place in saturated porous media are investigated. The main result consists in the fact that macroscopic behaviour of rock saturated with gas can be modelled by two different macroscopic descriptions. The appropriate dimensionless number defines their respective ranges of validity. Examples of application of homogenisation method in engineering practice end the monograph.
EN
Lifetime prediction of thermal barrier coatings on gas turbine hot components is described. Existing modelling strategies are discussed. A more fundamental strategy, based on micromechanical analyses of the coating system is finally presented.
first rewind previous Strona / 2 next fast forward last
JavaScript jest wyłączony w Twojej przeglądarce internetowej. Włącz go, a następnie odśwież stronę, aby móc w pełni z niej korzystać.