1.
KOWALEWSKI T.A., STELLA F.,
BANASZEK J., SZMYD J. - ESF-AMIF
PCCPP Workshop. - Book
of Abstracts. - Warszawa
1999 s. 169. - Prace
IPPT 5/1999
2.
WARSZTATY ROBOTÓW
MOBILNYCH - Dolina
Chochołowska wrzesień 1999. - Warszawa
1999 s. 115. - Prace
IPPT 8/1999
3.
STOCKI Rafał
- Optymalizacja niezawodnościowa
konstrukcji prętowych w zakresie dużych przemieszczeń. Teoria i program
komputerowy. (Praca doktorska). - Warszawa
1999 s. 158. - Prace
IPPT 13/1999.
4.
WASIAK Andrzej
- Rentgenograficzne badania
nieizotermicznej krystalizacji polipropylenu. - (Praca
habilitacyjna). - Warszawa
1999 s. 153. - Prace
IPPT 12/1999.
5.
AMIGÓ J.M., SZCZEPAŃSKI
J. - A Conceptual
Guide to Chaos Theory. - Warszawa
1999 s. 43. - Prace
IPPT 9/1999.
6.
RANACHOWSKI Jerzy,
MALECKI Ignacy - Wyznaczanie
metodami akustycznymi dynamicznych modułów sprężystości. - Warszawa
1999 s. 40. - Prace
IPPT 7/1999.
7.
KOWALEWSKI T.A., KOSIŃSKI
W., KOMPENHANS J. - Euromech
406 Colloquium. - Book
of Abstracts. - Warszawa
1999 s. 255. - Prace
IPPT 4/1999.
8.
APPLICATION
Photoacoustics Methods for Gyrotropic Media. - Praca
zbiorowa pod red. J.Ranachowski. - Warszawa
1999 s. 10. - Prace
IPPT 1/1999.
9.
WÓJCIK Janusz
- Transport energii w polu
fali ultradźwiękowej. - (Praca
habilitacyjna). - Warszawa
1999 s. 63. - Prace
IPPT 2/1999.
10.
BUCZKOWSKI Ryszard
- Statistical Modelling of
Rough Surfaces and Finite Element Contact Analysis. - (Praca
habilitacyjna). - Warszawa
1999 s. 119. - Prace
IPPT 3/1999.
11.
REJMUND Feliks
- Metody akustyczne; Badania
dynamiki wybranych procesów fizykochemicznych - ośrodkach
materialnych. - (Praca
habilitacyjna). - Warszawa
1999 s. 75. - Prace
IPPT 6/1999
12.
GLINICKI Antoni M.
- Mechanizmy kruchości i trwałość
kompozytów cementowych z włóknami szklanymi. - (Praca
habilitacyjna). - Warszawa
1999 s. 269. - Prace
IPPT 11/1999.
13.
NGUYEN Huu Viem
- Sprzężenia
termomechaniczne w procesach dużych odkształceń sprężysto-plastycznych
metali. - (Praca
habilitacyjna). - Warszawa
1999 s. 116. - Prace
IPPT 10/1999.
Krystalizacja jest jednym z najważniejszych procesów
kształtujących strukturę i własności materiałów polimerowych oraz
gotowych wyrobów z tworzyw sztucznych.
Poznanie mechanizmu procesu krystalizacji, a także
specyfiki jej przebiegu w warunkach odpowiadających warunkom procesu przetwórstwa
jest zasadniczym krokiem w kierunku umożliwienia racjonalnego przewidywania
struktury i własności materiałów oraz matematycznego modelowania procesów
przetwórstwa.
Obecna praca poświęcona jest, opartej na pracach własnych
autora oraz dostępnej literaturze, analizie wpływu szybkości zmian
temperatury na przebieg procesu krystalizacji polimerów w warunkach
nieizotermicznych.
W obecnej pracy, dzięki wykorzystaniu unikalnej
techniki dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego pochodzącego ze źródła
synchrotronowego (HASYLAB DESY W Hamburgu), autor uzyskał możliwość śledzenia
rozwoju struktury w czasie jej powstawania na podstawie zjawisk fizycznych bezpośrednio
związanych ze strukturą kryształu. Na podstawie tych wyników dokonano
analizy kinetyki krystalizacji. W celu matematycznego opisania kinetyki
nieizotermicznej krystalizacji użyto kilku modeli zaproponowanych w
literaturze, ze szczególnym uwzględnieniem nowego uogólnionego modelu
opracowanego przez Ziabickiego. W pracy po raz pierwszy autor wyznaczył niektóre
charakterystyki modelowe w oparciu o bezpośrednie dane strukturalne. Wykazano,
że szybkość krystalizacji w procesie nieizotermicznym jest nie tylko funkcją
temperatury, lecz również szybkości zmian temperatury w próbce. Zbadano również
relację pomiędzy szybkościami krystalizacji obserwowanymi w procesach
izotermicznych i nieizotermicznych.
Zastosowanie technik rozpraszania pod małymi kątami,
równolegle z dyfrakcją w zakresie
szerokich kątów umożliwiło autorowi wgląd nie tylko w kształtowanie się
kryształów, ale również w poznanie niektórych mechanizmów kształtowania
się morfologii materiału. Wykazano więc, że w przeciwieństwie do procesu
izotermicznego, długi okres powtarzalności w procesie nieizotermicznym ulega
zmianom w czasie, które sugerują powstanie początkowo struktury lamelarnej o
dużych odległościach pomiędzy periodycznie ułożonymi kryształami. W odstępy
pomiędzy kryształami powstałymi w pierwszej kolejności, w późniejszym
czasie procesu, wbudowują się następne kryształy. Badania rentgenograficzne
uzupełniono obserwacjami mikroskopowymi w świetle widzialnym, dokonanymi w
warunkach liniowego studzenia polimeru.
Własne badania doświadczalne autora uzupełniono
przeglądem literatury dającym wgląd w aktualny stan badań w dziedzinie
krystalizacji nieizotermicznej. Wyniki badań pozwoliły na ustosunkowanie się
do stosowalności niektórych modeli teoretycznych do opisu procesu
krystalizacji w warunkach nieizotermicznych.
Celem pracy jest przedstawienie przeglądu dotychczas
stosowanych i propozycji nowych zastosowań metod akustycznych do wyznaczania dynamicznych modułów sprężystości materiałów.
Rozróżniono metody wyznaczania modułów sprężystości jako stałych materiałowych
i określania wpływu na rzeczywistą reakcję sprężystą materiału parametrów
pola zaburzeń mechanicznych
działających na badany obiekt. Wpływ ten analizowano
dla różnych typów materiałów i rodzajów sygnałów akustycznych.
Rozpatrzono właściwości materiałów doskonale sprężystych i materiałów
sprężystych z których występuje
tłumienie fal akustycznych wywołane rozproszeniem cieplnym i tarciem wewnętrznym.
Zbadano zależność od dynamicznych modułów sprężystości fali akustycznej
o małej amplitudzie, fali o skończonej amplitudzie i fali uderzeniowej. Dla
charakterystyki części statycznej i części dynamicznej modułów sprężystości
użyto różnic w prędkości rozchodzenia fal ultradźwiękowych i w
zespolonej impedancji akustycznej. Rozróżniono impedancję dla fali
harmonicznej i impulsu akustycznego.
Szczególną uwagę zwrócono na zastosowanie metody
akustycznej do badania dynamicznej reakcji materiału na falę uderzeniową.
Stwierdzono, że dynamiczne moduły określające tę reakcję są funkcją dwóch
czynników : współczynnika nieliniowości sprężystej materiału i amplitudy
skoku pierwszych pochodnych względem
czasu odkształceń
na powierzchni nieciągłości propagującej się jako fala uderzeniowa.
Zaproponowano zastosowanie metody akustycznej do wyznaczenia chwilowej wartości
modułu sprężystości materiału w funkcji łącznego działania tych dwóch
czynników.
Podstawą opisu są równania transportu masy, pędu i
energii wewnętrznej ośrodka stratnego. Równania te zapisano w przybliżeniu
potencjalnym ( v = DF,
D ´
v=0, v
- wektor pola prędkości, F-działanie
na jednostkę masy (potencjał akustyczny). Jest to właściwe przybliżenie do
opisu podłużnych, mechanicznych (akustycznych) zaburzeń ośrodka. Zaburzenia
poprzeczne (wiry w płynie) traktowane są tu ( ze względu na sposób
wzbudzania zaburzenia) jako efekty wtórne i poza szczególnym przypadkiem nie są
uwzględniane w opisie. Powstają one kosztem energii początkowo czysto
potencjalnego przepływu. Rozwijają się i są podtrzymywane kosztem znikomej
części energii dostarczanej do ośrodka za pośrednictwem modu potencjalnego.
Równania Naviera-Stokesa stanowią tu modelowo ważny, jednak w zakresie opisu
termo-lepkich strat, szczególny przypadek. Zastosowania ultradźwięków w
medycynie, biologii, chemii wymagają rozważenia ogólniejszej klasy ośrodków,
w której klasyczna lepkość, przejawiająca się klasycznie lepką absorpcją
energii dźwięku (proporcjonalną do iloczynu kwadratu częstotliwości i współczynników
lepkości) jest tylko szczególnym przypadkiem. W związku z powyższym i z założoną
„okołoadiabatycznością” (okołoisoentropowością) przemiany, jakiej
podlega ośrodek w rozdziale I zastosowano odpowiednio ogólną relację
konstytutywną. Mianowicie, do opisu procesów prowadzących do dyssypacji
energii mechanicznej zastosowano operator absorpcji wiążąc go z tak zwanymi słabosygnałowymi
współczynnikami absorpcji a(w)
(w -częstotliwość),
powszechnie używanymi w akustyce do opisu zaniku energii składowej
Fourierowskiego zaburzenia. Związek ten, ważny dla tej pracy, jest szczegółowo
dyskutowany w rozdziale IV. Przedstawiono dyskusje wpływu powyższych założeń
na postać równania energii wewnętrznej (entropii). W związku z tym wskazano
na znaczenie różnicy między ciśnieniem w założonej, porównawczej
(isoentropowej) przemianie ośrodka i „prawdziwym” ciśnieniem w
rzeczywistym ośrodku stratnym.
Pozwoliło to na sformułowanie w rozdziale II
metody ścisłego całkowania równania pędu. Uzyskane równanie jest uogólnieniem
równania Bernoulliego na przypadek ośrodków stratnych i stanowi podstawę w
pełni nieliniowego, potencjalnego opisu zaburzeń ośrodka stratnego, jest on
omawiany w rozdziale VIII. Równania potencjału akustycznego i ciągłości,
zostały sprowadzone do jednego nieliniowego równania falowego (z dokładnością
do wyrazów rzędu trzeciego względem zaburzenia). Jednocześnie wyznaczono gęstość
i prędkość dźwięku jako funkcję potencjału. Podano znane w literaturze
przybliżenia otrzymanego równania.
W rozdziale III przedstawiono, otrzymane na bazie równań
transportu, równania zachowania energii całkowitej (w opisie potencjalnym) i
energii dźwięku. Podano, nieznane w literaturze, wyprowadzenie na bazie równania
propagacji, równania zachowania energii dźwięku. Wykazano, że ścisłe równanie
może być przybliżone (po zastosowaniu wcześniej otrzymanych wyrażeń) do równania
bilansu energii wynikającego z nieliniowego równania propagacji. Pozwala to na
stwierdzenie, że mimo redukcji opisu zaburzeń ośrodka za pomocą równań
transportu do jednego równania, zachowywana jest (niejawnie) konsystencja obu
opisów.
W rozdziale IV omówiono własności operatora
absorpcji i wspomnianego wyżej współczynnika absorpcji. Pokazano, że słabosygnałowy
współczynnik absorpcji jest wartością własną operatora absorpcji. Wynika
stąd ważny wniosek, że operator absorpcji może być zrekonstruowany na
podstawie pomiaru. Przykład takiej rekonstrukcji we współrzędnych
przestrzennych dla ośrodka o absorpcji charakterystycznej dla tkanek miękkich
i pewnych substancji biologicznych (odmiennej niż klasyczna) podano w dodatku
A. Podstawowe znaczenie dla tej i następnych części pracy ma analiza równania
dyspersyjnego (opis zlinearyzowany) i kwazidyspersyjnego (nieliniowy opis
zaburzeń).
Niektóre wyniki tej analizy, bardziej szczegółowo
przedstawione w pracy [16], pozwoliły, między innymi, na znaczące
uproszczenie, jednak z zachowaniem dokładności, tak zwanego „Klasycznego równania
akustyki” (równanie Kuznietzowa). Dotychczas stosowane metody miały
charakter heurystyczny (lub przybliżony, asymptotyczny). W ten sposób niektóre
numeryczne modele nieliniowej propagacji uzyskały formalne uzasadnienie. W
miejsce pojęcia „generacja harmonicznych” związki kwazidyspersyjne
pozwalają wprowadzić pojęcie „generacja overtonów” jako bardziej
odpowiednie dla fizykalnego opisu powstawania i deformacji widma Fouriera
zaburzenia w nieliniowym opisie propagacji.
Najważniejszy wynik tej pracy dotyczący zjawiska
absorpcji energii dźwięku przedstawiono w rozdziale V. Wykazano, że liniowym
i nieliniowym opisie propagacji wzory opisujące gęstość mocy źródeł ciepła
generowanego w ośrodku stratnym przez dźwięk mają identyczną postać
formalną, to znaczy mają postać wartości średniej (oczekiwanej) operatora
strat. Jest to konsekwencją zachowania energii w oddziaływaniach nieliniowych.
Przy założonej dokładności opisu nieliniowego zjawisko absorpcji jest
liniowe (operator absorpcji jest liniowy także w opisie ogólnym), zachodzi
jednak w warunkach nieliniowej propagacji. Stąd liczbowe wartości i
interpretacja fizyczna formalnie identycznych wzorów są różne w liniowym i
nieliniowym opisie. Szczegóły podano we wnioskach. Otrzymane równoważności
stanowią formalną podstawę nowych, prostszych i dokładniejszych metod
wyznaczania wielkości związanych z absorpcją lub charakteryzujących pole
akustyczne. Przykłady oprócz wspomnianej gęstości mocy źródeł ciepła,
podano w rozdziale VII. W rozdziale V wskazano też na konieczność odróżnienia,
w przypadku ośrodka stratnego, pojęcia (ogólniejszego) energii zaburzenia
potencjalnego od pojęcia energii akustycznej, chociaż obie wielkości
definiowane są tym samym wzorem.
W rozdziale VI przeprowadzono faktoryzację otrzymanych
równań w bazie funkcji Fouriera. Zastosowano
reprezentację ciągłą i dyskretną. Procedura ta pozwala na bardziej szczegółową
interpretację otrzymanych rezultatów oraz wskazuje konkretną metodę
wyznaczania (pomiaru) wartości średniej operatora absorpcji.
Część tematów z rozdziału VIII (Dyskusja i
Wnioski) wskazano wyżej. Dodatkowo określono w ramach potencjalnego opisu ośrodka
stratnego tak zwane „przybliżenie akustyczne”. Pojawia się ono w wyniku
pominięcia w równaniu ewolucji potencjału wyrazu sprzęgającego to równanie
z równaniem entropii (przewodnictwa cieplnego). W ten sposób opis modu
potencjalnego ulega rozkładowi na niezależny od termicznego mod akustyczny i
ewoluujący kosztem jego energii mod termiczny (w pełnym opisie wskutek sprzężenia
obu modów dźwięk może być wzbudzony przez mod termiczny, na przykład przez
zadany początkowy rozkład temperatury). Z dyskusji wynika, że jedynie w
ramach przybliżenia akustycznego założenie okresowej odpowiedzi ośrodka na
okresowe pobudzenie (o okresowości adekwatnej do okresowości pobudzenia) jest
dobrze uzasadnione. Zwrócono uwagę na dodatkowe zjawiska, które mogą być
opisane (w pewnym zakresie) przez w
pełni nieliniowy opis potencjalny.
W dodatku C, drugi niezmiennik
tensora szybkości deformacji dla ośrodka klasycznie lepkiego wyrażono za
pomocą zmiennych akustycznych.
In the present work statistical aspects of the micromechanics of normal
and tangential models between metallic rough surfaces are described. A detailed
statistical analysis of rough surfaces is performed in terms of asperity (peak
or summit) didtribution and the distribution of curvature at the asperities. A
random surface model of asperities with the Gaussian height distribution
combined with mechanical description of a single peak based on the Hertz theory
coupled with the Mindlin friction theory is investigated. The complete
description of anisotropic random surfaces is restricted here to strongly rough
surfaces; for such surfaces the summits are represented by highly eccentric
elliptic paraboloids having their semimajor axes oriented in the direction of
the grain. \some of the limitations of early contact models have been successively overcome by more generalized model in
order to incorporate the deformation of asperities to be assumed elasto-plastic.
Because the 20-node solid element of serendipity family does not fulfil
the physical contact requirements properly (the equivalent nodal forces include
negative values) an original 21-node three-dimensional transient element for
contact problem was developed.
The quadratic line and plane zero-thickness diagonal joint elements
obtained by Lobatto integration scheme have been implemented for simulation of
the displacement discontinuity at the contact surface (separation, slip along
the interface).
Essentially most of the study is devoted to the three-dimensional contact
analysis taking into account the anisotropic properties between two contacting
bodies in presence of the unilateral contac conditions and non-linear friction
coefficients in both the principal tangential directions.
The statistical contact algorithms have been coded into both workstation
Sun Ultra 1 and supercomputer SGI Power Challenge XL finite element programs for
static 2D- and 3D-dimensional elast-plastic contact analysis. Some exemples have
been selected to demonstrate applicability of the proposed method.
Praca zawiera opis
i analizę zarówno wyników przeprowadzonych badań eksperymentalnych, głównie
metodami akustycznymi , jak również charakterystyk
przebiegu w czasie procesów fizykochemicznych w strukturalnych ośrodkach
materialnych pod działaniem naprężeń mechanicznych,
termomechanicznych, potencjałów chemicznych bądź sił pola grawitacyjnego.
Wybranymi ośrodkami materialnymi, na przykładzie których wykazano w pracy
efektywność eksperymentalnych, akustycznych i mechanicznych metod wyznaczania
parametrów charakteryzujących dynamikę procesów zachodzących w ośrodku i
mających zasadniczy wpływ na własności fizyczne i mechaniczne były :
- ceramika polkrystaliczna, materiał wielofazowy, w którym
procesy wzrostu pęknięć w obszarze podkrytycznych obciążeń mają
zasadniczy wpływ na „czas życia”;
- kryształy azotanu amonu posiadające pięć
stabilnych konfiguracji atomów w sieci krystalicznej w zakresie temperatury
(-18 -170 C 0);
- nieuporządkowana struktura piany wytwarzana z cieczy
o zróżnicowanych własnościach fizycznych.
Informacje o zachodzących
procesach były zbierane najczęściej w postaci standardowych parametrów
emisji akustycznej oraz próbkowanych sygnałów akustycznych i opracowywane
numerycznie. Generacja sygnałów akustycznych podczas zachodzących procesów
jest zjawiskiem występującym w warunkach codziennych, a metody rejestracji i
ilościowej analizy zjawiska emisji sygnałów akustycznych (akustycznej emisji,
AE) znajdują się w obszarze zainteresowań nauk fizyko-chemicznych i
technicznych. Sygnały AE mają złożoną-zmienną w czasie i widmie częstotliwościowym
charakterystykę a analiza tych sygnałów, pozwala określić korelacje z własnościami
ośrodka, i procesami zachodzącymi w ośrodku.
Zbudowane stanowiska do badań eksperymentalnych,
metody badań i sposoby analizy danych eksperymentalnych zamieszczone w pracy
stanowią nowy i oryginalny wkład w dziedzinie badań własności ośrodków
strukturalnych i przebiegu procesów.
The thesis presents test results of brittleness and strength of glass
fibre reinforced cement composites (GRC) as well as the experimental methods
appropriate to study these properties. The objective of the investigation was to
study the relationship between components of composites and the flexural
toughness and the flexural strength. The durability was defined as a
sustainability of the toughness and the strength in time.
The range of tests covered portland cement composites modified using
pozzolanic additivies such high reactivity
metakaolin, diatomite and silica fume, as well as an acrylic polymer additive.
The GRC samples were manufactured using the spray-up technique, 44 material
compositions in total.
The experimental tests were performed on GCR samples, both before and
after accelerated ageing that corresponded approximately to 30 years of natural
weathering. The following properties of GRC were experimentally determined the
flexural toughness, the impact resistance, the flexural strength and the
deformation capacity, as well as the elastic modulus. The influence of the
pozzolanic additives , the polymer additive and the type of fibre on the
standard measures of toughness of
aged and unaged materials was analysed. The impact resistance measurements were
performed using an original plate impact test method. Microstructural features
of the matrices modified with the additives were studied using the XRD method
and the SEM/EDX method. An original method was developed for studying the
interface properties between the cement matrix and the glass filaments, i.e. a
SEM-based push-out method.
The results revealed a strong influence of metakaolin and diatomite
additives on the long term flexural toughness and the deformation capacity of
GRC composites. The remarkable influence of
metakaolin and acrylic polymer on the long term impact resistance was
also noted. Elementary fracture mechanisms were revealed and correlated to the
microstructural features of cement
paste in the vicinity of glasss fibres. A relationship between the
microstructure and the long-term properties of GRC was established using the
interface data obtained on single fibre push-out tests. A new proposal of a
deformability calculation model of GRC composites was presented, including the
components and microstructural properties of fibre-matrix interface. The
interaction of glass fibre with cement matrix is mainly frictional and a
controlled decrease of the frictional bond can be beneficial for increasing the
long term toughness of the composites.
Tematyka pracy
dotyczy problemów sprzężeń termomechanicznych w sprężysto-plastycznych
deformacjach metali. W tym celu rozwinięto termomechaniczny model ciała
metalicznego sprężysto-plastycznego w zakresie skończonych deformacji, w
warunkach dużych ciśnień, który zastosowano w wybranych zagadnieniach
dynamicznych.
Duże ciśnienie pociąga ze sobą następujące
dodatkowe efekty. Po pierwsze, nie tylko plastyczne odkształcenia są skończone,
lecz również i sprężyste. Uwzględniono przy tym typowe zachowanie metali:
sprężyste odkształcenia postaciowe pozostają małe dla dowolnych warunków
obciążenia, podczas gdy zmiany dylatacji mogą być znaczne. Po drugie, właściwości
materiałów zależą od ciśnienia, co zwiększa trudności przy doświadczalnym
wyznaczaniu ich parametrów. Poza tym duże ciśnienie może powodować zmiany
strukturalne materiałów. Takiego rodzaju procesy są coraz częściej
spotykane w obróbce metali: formowanie materiału przy pomocy wybuchu, tłoczeniu
metali itp.
Opis zachowania się materiału w powyżej opisanych
warunkach rozwinięto, wykorzystując metodykę Mandela i przy przyjęciu
logarytmicznej miary odkształcenia sprężystego, która pozwala w sposób
prosty wydzielić część postaciową odkształcenia sprężystego i w
konsekwencji w dalszych rozważaniach pomijać człony wyższego rzędu. Ujęto
w ten sposób hydrodynamiczną teorię metali (ważną w zakresie wysokich ciśnień)
i teorię plastyczności w jednolite ramy teoretyczne.
W drugiej części pracy, wyprowadzone równania
konstytutywne zostały zastosowane w wybranych zagadnieniach dynamicznych.
Przedstawiono badania ruchu nieciągłości drugiego rzędu (fal przyśpieszenia)
w nieskończonej przestrzeni. Znaleziono wartości główne tensora
akustycznego. Przeprowadzono analizę sprzężonych fal prostych w cienkościennej
rurze. Pokazano wpływ tensora spinu plastycznego na trajektorię naprężeń i
prędkości fal wolnych prostych. Następnie przedstawiono rezultaty testów na
proste ścinanie blach metalowych w szerokim zakresie obciążenia. Sformułowano
zagadnienie początkowo brzegowe dla warunków identycznych jak w doświadczeniu,
uwzględniając duże deformacje. Dla przypadku liniowego wzmocnienia
kinematycznego znaleziono rozwiązanie analityczne. Przeprowadzono analizę
numeryczną metodą elementów skończonych dla wzmocnienia
izotropowo-kinematycznego i porównano wyniki z danymi doświadczalnymi.