Večparametrično dinamično modeliranje plastovitih močno nehomogenih elastičnih struktur
Večparametrično dinamično modeliranje plastovitih močno nehomogenih elastičnih struktur
Tip projekta: Temeljni raziskovalni projekt
Trajanje projekta:
01. 07. 2018 -
28. 02. 2022
Financer: Raziskovalni projekt je (so)financiran s strani Javne agencije za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije
Prijavitelj: Fakulteta za industrijski inženiring Novo mesto
Partnerji: Zavod za gradbeništvo Slovenije; Univerza v Ljubljani, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo; Univerza v Novem mestu, Fakulteta za strojništvo.
Nosilec projekta na FINI: prof. dr. Julius Kaplunov
Opis:
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.
Faze projekta in njihova realizacija:
Delovni sklop 1:Razvoj analitičnih modelov
1.1. Razvoj 2D enotno veljavnih ali kompozitnih enačb gibanja
1.2. Določitev pogojev upadanja, ki posplošujejo Saint-Venant-ovo načelo za neravninsko in ravninsko nizkofrekvenčno nihanje polneskončnega troslojnega traku
1.3. Prilagoditev asimptotične metodologije za dvonačinsko nizkofrekvenčno obnašanje tankih plošč
1.4. Določitev robnih pogojev za enotno veljavne in gibalne enačbe
1.5. Asimptotično integracija diferencialnih enačb na ozkih območjihDelovni sklop 2: Uporaba analitičnih
modelov za reševanje posebnih dinamičnih problemov
Delovni sklop 2:Uporaba analitičnih modelov za reševanje posebnih dinamičnih problemov
2.1. Razvoj eksplicitnih formul za upogibne in najnižje strižne lastne frekvence ter lastne oblike troslojnih trakov in krožnih plošč s prostimi ali vpetimi robovi
2.2. Postavitev aproksimativne analitične rešitve za problem prehodnega pojava polneskončne troslojne plošče, izpostavljene nenadnemu impulzu na robu
2.3.Primerjava dobljenih lastnih vrednosti za trak in krožno ploščo z zelo omejenim številom obstoječih rezultatov za troslojne izrazito kontrastne konstrukcije
2.4. Določitev korakov za optimizacijo razvoja kompozitnih struktur za industrijsko uporabo
Delovni sklop 3: Numerična validacija razvitih modelov
3.1. Uporaba MKE analize za izračun lastnih vrednosti za troslojne trakove in krožne plošče s prostimi in vpetimi robovi
3.2. Navzkrižna primerjava rezultatov za potrditev aproksimativne teorije, razvite v delovnem sklopu 1
3.3. Podrobna analiza MKE rezultatov z uporabo aproksimativnih vrst, vključno z ločitvijo strižnih in upogibnih vibracijskih spektrov
Delovni sklop 4: Eksperimentalna vizualizacija za kontrastne plastovite strukture oz. konstrukcije
4.1. Načrtovanje in razvoj eksperimenta
4.2. Priprava kompozitnih vzorcev ter izvajanje eksperimentalnih aktivnosti
4.3. Navzkrižna primerjava eksperimentalnih rezultatov s predhodno dobljenimi analitičnimi in numeričnimi rezultati
AKTIVNOSTI V OKVIRU PROJEKTA
Kick off meeting
Na ustanovitvenem sestanku v začetku septembra 2018 je bila na pobudo vodje projekta ustanovljena skupina za upravljanje projekta, ki jo sestavljajo namestnik vodje projekta dr. A. Nikonov in po eden raziskovalec iz sodelujočih partnerskih raziskovalnih organizacij: dr. M. Kramar, prof. dr. S. Muhič, prof. dr. D. Zupan.
Izvajanje koordinacijskih sestankov vodij partnerskih skupin
Vsake 4 mesece člani skupine za upravljanje projekta izvajajo formalen pregled napredka na projektu ter enkrat letno ob koncu koledarskega leta organizirajo skupni sestanek. Obenem so člani skupine za upravljanje odgovorni za znanstveni vidik, pri čemer z vodjo projekta stalno izvajajo strateški znanstveni pregled in spremljajo napredovanje in splošno usmeritev poteka projekta. Vodja projekta je vedno na voljo preko elektronske pošte, po skype-u in telefonu. Potekajo redna srečanja; vsak teden med vodjo projekta in namestnikom vodje projekta, vsak mesec med raziskovalci in namestnikom vodje projekta.
Izvajanje delovnih sestankov partnerskih skupin
Redno poteka organizacija delovnih sestankov in redna komunikacija med partnerji, vsaj en sestanek na tri mesece. Enkrat mesečno raziskovalci poročajo o rezultatih koordinatorju projekta. Delovni sestanki se izvajajo med partnerji z namenim pregleda doseženih rezultatov oz. napredka na projektu ter načrtovanja naslednjih raziskovalnih aktivnosti. V okviru realizacije projektnih aktivnosti raziskovalna skupina dodatno sodeluje z raziskovalci s področja konstrukcijske dinamike in mehanike kompozitov iz Italije, Turčije, UK, Rusije, s katerimi je skupina FINI že v preteklosti vzpostavila plodno dolgoročno sodelovanje. Njihov prispevek je v kritični oceni metodologije, ki se tekom izvajanja projekta razvija, pa tudi v njeni nadaljnji implementaciji.
Izvajanje znanstvenih predstavitev vmesnih rezultatov v okviru Znanstveno raziskovalnih seminarjev FINI, ki deluje kot stalna aktivnost
Znanstveno raziskovalni seminarji na Fakulteti za industrijski inženiring Novo mesto so namenjeni predstavitvam vsebin, s katerimi širimo znanja in kompetence na naši fakulteti in v širšem družbenem prostoru. Predstavitev rezultatov projekta na znanstveno raziskovalnem seminarju FINI poteka povprečno vsaka 2 meseca.
Organizacija delavnice za inženirje podjetja TPV d.o.o. z naslovom »Low-frequency vibrations of high-contrast elastic composites«, Novo mesto, 4. februar 2019.
Organizacija letne mednarodne znanstvene konference o razvoju industrijskega inženiringa in sekcije „Temeljne in aplikativne raziskave“
Konferenca uveljavlja novo prakso sodelovanja med gospodarstvom ter raziskovalnimi in izobraževalnimi organizacijami. Osnovni cilj konference je zagotavljanje skladnosti razvojnih tendenc z dejanskimi potrebami po kadrih v tehnoloških in industrijskih panogah. Nove potrebe trga dela, gospodarskega razvoja in konkurenčnosti podjetij namreč predstavljajo izzive, ki se jim danes ni mogoče izogniti. V okviru tematskih sklopov se konference udeležujejo strokovnjaki iz Slovenije in tujine, iz gospodarstva, univerz oziroma visokošolskih zavodov, inštitutov ter druga strokovna javnost.
Aktivno sodelovanje pri organizaciji delovanja društva Danubia Adria Society on Experimental Methods (DAS), ki povezuje 12 evropskih držav
The Danubia-Adria Society on Experimental Methods (DAS) was founded in 1983. The objective of the Society is “to promote experimental mechanics, covering all aspects from the development to the applications of the methods, for the quality improvement of products and processes and for developing new models of education”.
Regular DAS Members of the Scientific Committee from Slovenia: Prof. Igor Emri, PhD and Anatolij Nikonov, PhD.
Organizacija delavnice „International Workshop on Dynamics of Inhomogeneous Elastic Structures“
Sopredsednika: Prof. dr. Julius Kaplunov, Dr. Anatolij Nikonov
Organizator: Fakulteta za industrijski inženiring Novo mesto
Načrtovano: april 2020, zaradi razmer v zvezi s pandemijo COVID-19 prestavljeno na jesen 2020
Prijava ter izvajanje podpornih projektov
Bilateralno sodelovanje z Rusijo: Projekt BI-RU/19-20-024 z naslovom »Dinamika večslojnih konstrukcij: razvoj teoretičnih modelov in računalniških metod«. Sodelujoča organizacija: St. Petersburg State University, Department of Extreme States of Materials and Structures. Financer: ARRS.
Projekt »Razvoj študija na FINI preko mobilnosti tujih učiteljev« v okviru Javnega razpisa Krajša in daljša gostovanja tujih strokovnjakov in visokošolskih učiteljev na slovenskih visokošolskih zavodih 2019-2022. Sofinancer: MIZŠ.
Projekt »Pridobivanje dobrih praks ter razvoj metodologij poučevanja preko mobilnosti visokošolskih učiteljev FINI« v okviru Javnega razpisa Mobilnost slovenskih visokošolskih učiteljev 2018-2021. Sofinancer: MIZŠ.
Udeležba z znanstvenimi prispevki na mednarodnih simpozijih in konferencah:
Mednarodna znanstvena konferenca o razvoju industrijskega inženiringa. Organizator: Fakulteta za industrijski inženiring Novo mesto, 8.– 9. april 2019, Otočec pri Novem mestu, Slovenija
36th Danubia Adria Symposium on Advances in Experimental Mechanics: Organiser: Czech Society for Mechanics (CSM), September 24-27, 2019, Pilsen, Czech Republic
APM 2019: XLVII International Summer School Conference Advanced Problems in Mechanics. Organiser: Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, June 24 – 29, 2019, Saint Petersburg, Russia
International Symposium on Impact Engineering 2019. Organiser: Johannes Kepler Universität, July 2 – 5, 2019, Gmunden, Austria
Srečanje Kuhljevi dnevi 2019. Organizator: Slovensko društvo za mehaniko, 26. – 27. september 2018, Strunjan, Slovenija
GUMFERENCE: Implementation of Newest Research Topic into Rubber Industry. Organiser: Centre of polymer systems (CPS), Tomas Bata University in Zlín, 13th November, 2019, Zlín, Czech republic
Mednarodna konferenca „Advance in Composite Science and Technologies”. Organiser: Bauman Moscow State Technical University, December 5 – 8, 2018, Moscow, Russia
Srečanje Kuhljevi dnevi 2018. Organizator: Slovensko društvo za mehaniko, 27. – 28. september 2018, Laško, Slovenia
Obveščanje javnosti o rezultatih in učinkih projekta
NAJPOMEMBNEJŠI ZNANSTVENO RAZISKOVALNI DOSEŽKI PROJEKTNE SKUPINE
KAPLUNOV, Julius, PRIKAZCHIKOV, Danila A., PRIKAZCHIKOVA, Ludmila, NIKONOV, Anatolij, SAVŠEK, Tomaž. Multi-parametric dynamic analysis of lightweight elastic laminates. IOP conference series, Materials science and engineering, ISSN 1757-899X, 2019, vol. 683, 6 str. [COBISS.SI-ID 1679094].
KAPLUNOV, Julius, PRIKAZCHIKOV, Danila A., PRIKAZCHIKOVA, Ludmila, SERGUSHOVA, Olga. The lowest vibration spectra of multi-component structures with contrast material properties. Journal of sound and vibration, ISSN 0022-460X. [Print ed.], 14. Apr. 2019, vol. 445, str. 132-147, ilustr. [COBISS.SI-ID 1597174].
KAPLUNOV, Julius, ERBAŞ, Bariş, PALSÜ, Melike. A composite wave model for a cylindrical shell. V: ALTENBACH, Holm (ur.). Recent developments in the theory of shells, (Advanced structured materials (Print), ISSN 1869-8433, Vol. 110). Cham: Springer International Publishing. cop. 2019, str. 315-328, ilustr. [COBISS.SI-ID 1698550].
ŞAHIN, Onur, ERBAŞ, Bariş, KAPLUNOV, Julius, SAVŠEK, Tomaž. The lowest vibration modes of an elastic beam composed of alternating stiff and soft components. Archive of applied mechanics = : Ingenieur-Archiv (1991. Internet), ISSN 1432-0681, 2020, vol. 90, iss. 2, str. 339-352, ilustr., [COBISS.SI-ID 1691382].
PRIKAZCHIKOVA, Ludmila, ERBAŞ, Bariş, KAPLUNOV, Julius, et al. Asymptotic analysis of an anti-plane dynamic problem for a three-layered strongly inhomogeneous laminate. Mathematics and mechanics of solids, Aug. 2018, vol. , no. . [COBISS.SI-ID 1593590].
CHALLAMEL, Noël, KAPLUNOV, Julius, et al. Scale effect and higher-order boundary conditions for generalized lattices, with direct and indirect interactions. Mechanics Research Communications, ISSN 0093-6413. [Print ed.], Apr. 2019, vol. 97, 7 str. [COBISS.SI-ID 1689078].
ALZAIDI, A., KAPLUNOV, Julius, PRIKAZCHIKOVA, Ludmila. Elastic bending wave on the edge of a semi-infinite plate reinforced by a strip plate. Mathematics and mechanics of solids, ISSN 1741-3028, Apr. 2019, vol. 24, iss. 10, str. 3319-3330. [COBISS.SI-ID 1689846].
ERBAŞ, Bariş, KAPLUNOV, Julius, PALSÜ, Melike. A composite hyperbolic equation for plate extension. Mechanics Research Communications, ISSN 0093-6413. [Print ed.], Jul. 2019, vol. 99, str. 64-67. [COBISS.SI-ID 1690614].
ALZAIDI, Ahmed S. M., KAPLUNOV, Julius, PRIKAZCHIKOVA, Ludmila. The edge bending wave on a plate reinforced by a beam (L). The Journal of the Acoustical Society of America, ISSN 1520-8524, Aug. 2019, vol. 146, iss. 2, str. 1061-1064, ilustr. [COBISS.SI-ID 1693174].
EMRI, Igor, BERNSTORFF, Bernd Steffen von, OBLAK, Pavel, NIKONOV, Anatolij. Sound insulating element : European patent application EP 3 570 274 A1, 2019-11-20. Munich: European Patent Office, 2019. 38 str. [COBISS.SI-ID 1534454].
RAMŠAK, Mihael, NIKONOV, Anatolij. Limitations and applicability of a new small-scale measuring setup for sound insulation characterization. Noise control engineering journal, ISSN 2168-8710, 2019, vol. 67, no. 4, str. 295-306, ilustr. [COBISS.SI-ID 2484583].
EGE, Nihal, ERBAŞ, Bariş, KAPLUNOV, Julius, et al. Approximate analysis of surface wave-structure interaction. Journal of mechanics of materials and structures, ISSN 2157-5428, 2018, vol. 13, no. 3, str. 297-309. [COBISS.SI-ID 1596662].
KAPLUNOV, Julius, PRIKAZCHIKOV, Danila A., SULTANOVA, Leyla. Justification and refinement of Winkler-Fuss hypothesis. Zeitschrift für angewandte Mathematik und Physik, ISSN 1420-9039, 2018, iss. 3, vol. 69, str. 69-80. [COBISS.SI-ID 1593334].
Publikacija evropskega patenta “Sound Insulation Element“ – EP 3 570 274 A1, oz. svetovnega patenta WO 2019/219474 A1
EMRI, Igor, BERNSTORFF, Bernd Steffen von, OBLAK, Pavel, NIKONOV, Anatolij. Sound insulating element : European patent application EP 3 570 274 A1, 2019-11-20. Munich: European Patent Office, 2019. 38 str. [COBISS.SI-ID 1534454]
Izdaja monografije Dinamika tankostenskih elastičnih teles
V letu 2019 smo izdali znanstveno monografijo z naslovom Dinamika tankostenskih elastičnih teles. »Ta knjiga je namenjena predstavitvi dinamične teorije linearnih elastičnih tankostenskih teles, ki se obravnava kot asimtotična veja 3D elastičnosti brez ad hoc predpostavk« pravijo avtorji knjige J. D. Kaplunov, L. Yu. Kossovich in E. V. Nolde, ki so knjigo posvetili svojemu učitelju, profesorju A. L. Goldenveizerju.
Diseminacija rezultatov projekta na mednarodnih simpozijih in konferencah
KAPLUNOV, Julius, NIKONOV, Anatolij. Večparametrično dinamično modeliranje plastovitih močno nehomogenih elastičnih struktur = Multi-parametric dynamic modelling of layered strongly inhomogeneous elastic structures. V: FINK GRUBAČEVIĆ, Iris (ur.). Priložnosti, potenciali, izzivi : zbornik povzetkov = Opportunities, potentials, challenges : book of abstracts. Novo mesto: Fakulteta za industrijski inženiring: = Faculty of Industrial Engineering. 2020, f. 61-62. [COBISS.SI-ID 1694710].
ALZAIDI, Ahmed S. M., KAPLUNOV, Julius, PRIKAZCHIKOVA, Ludmila. Asymptotic analysis of the edge bending wave on a stiffened plate. V: FINK GRUBAČEVIĆ, Iris (ur.). Priložnosti, potenciali, izzivi : zbornik povzetkov = Opportunities, potentials, challenges : book of abstracts. Novo mesto: Fakulteta za industrijski inženiring: = Faculty of Industrial Engineering. 2020, f. 60. [COBISS.SI-ID 1694966].
NIKONOV, Anatolij, ZUPANČIČ, Barbara, MUHIČ, Simon, KAPLUNOV, Julius. Methodology for dispersion analysis of thin plates using FEM engineering software. V: FINK GRUBAČEVIĆ, Iris (ur.). Priložnosti, potenciali, izzivi : zbornik recenziranih prispevkov = Opportunities, potentials, challenges = proceedings of reviewed papers. Novo mesto: Fakulteta za industrijski inženiring: = Faculty of Industrial Engineering. 2019, str. 2-8. [COBISS.SI-ID 1623286].
NIKONOV, Anatolij, PUŠENJAK, Rudi. Spectral analysis of multi-layered beams with high-contrast material properties of layers. V: FINK GRUBAČEVIĆ, Iris (ur.). Priložnosti, potenciali, izzivi : zbornik recenziranih prispevkov = Opportunities, potentials, challenges = proceedings of reviewed papers. Novo mesto: Fakulteta za industrijski inženiring: = Faculty of Industrial Engineering. 2019, str. 23-30, ilustr. [COBISS.SI-ID 1624054].
AMBROŽIČ, Milan. Dynamic stresses in symmetric three-layered composite plates. V: FINK GRUBAČEVIĆ, Iris (ur.). Priložnosti, potenciali, izzivi : zbornik recenziranih prispevkov = Opportunities, potentials, challenges = proceedings of reviewed papers. Novo mesto: Fakulteta za industrijski inženiring: = Faculty of Industrial Engineering. 2019, str. 55-68, ilustr. [COBISS.SI-ID 1627382].
PUŠENJAK, Rudi. Nestabilnost dvostopenjskih zobniških gonil kot posledica spremenljive zobne togosti v ubiranju = Instabilities of two-stage gear drives caused by variable mesh stiffness. V: ZUPAN, Dejan (ur.), HOZJAN, Tomaž (ur.). Zbornik del. Ljubljana: Slovensko društvo za mehaniko. 2019, str. 115-122, ilustr. [COBISS.SI-ID 1639414].
PUŠENJAK, Rudi, OBLAK, Maks, NIKONOV, Anatolij. Analysis of stationary resonances in nonlinear dynamics of viscoelastic beams. V: LIPUŠ, Ines (ur.), FINK GRUBAČEVIĆ, Iris (ur.), URŠIČ, Urška (ur.). Priložnosti, potenciali, izzivi, Znanstvena monografija = Opportunities, potentials, challenges, Scientific monograph. Novo mesto: Fakulteta za industrijski inženiring: = Faculty of Industrial Engineering. 2018, str. 48-56. [COBISS.SI-ID 1570550].
PUŠENJAK, Rudi, NIKONOV, Anatolij. Nelinearna nihanja harmonično vzbujenega viskoelastičnega nosilca s tlačno aksialno obremenitvijo = Nonlinear vibration of harmonically excited viscoelestic beam with compressive axial load. V: ZUPAN, Dejan (ur.), HOZJAN, Tomaž (ur.). Zbornik del. Ljubljana: Slovensko društvo za mehaniko. 2018, str. 115-122, ilustr. [COBISS.SI-ID 1570294].
Sodelovanje v svetovno priznanih znanstvenih organih
