Tentamen Fundamentals of Deformation and Linear Elasticity (4A450)

Vergelijkbare documenten
Tentamen Fundamentals of Deformation and Linear Elasticity (4A450)

Tentamen Toegepaste elasticiteitsleer (4A450)

Tentamen Toegepaste elasticiteitsleer (4A450)

Voorblad bij tentamen

Voorblad bij tentamen

Voor de drie opgaven kunt u maximaal 100 punten scoren. De te behalen punten zijn bij elke deelvraag vermeld.

Voorblad bij tentamen

woensdag 6 augustus 2008, u Code: 8W020, BMT 1.3 Faculteit Biomedische Technologie Technische Universiteit Eindhoven


ONDERWERPEN. LES 1 Spanningen en rekken in 3D en lineair elastisch gedrag. LES 2 Grensspanningshypothesen voor materialen

Solid Mechanics (4MB00) Toets 2 versie 4

UITWERKING MET ANTWOORDEN

Solid Mechanics (4MB00) Toets 2 versie 1

Mechanica van Materialen: Voorbeeldoefeningen uit de cursus

ANTWOORDEN ( uitgebreide versie )

VAK: Mechanica - Sterkteleer HWTK

: Vermeld op alle bladen van uw werk uw naam. : Het tentamen bestaat uit 4 bladzijden inclusief dit voorblad.

WAARSCHUWING : Vermeld op alle bladen van uw werk uw naam!

OF (vermits y = dy. dx ) P (x, y) dy + Q(x, y) dx = 0

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN FACULTEIT WERKTUIGBOUWKUNDE DIVISIE COMPUTATIONAL AND EXPERIMENTAL MECHANICS

Uitwerkingen van het Tentamen Moleculaire Simulaties - 8C Januari uur

1 Uitwendige versus inwendige krachten

Solid Mechanics (4MB00): Tussentoets 1 4

Solid Mechanics (4MB00): Tussentoets 1 2

Three-dimensional linear elasticity

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN FACULTEIT WERKTUIGBOUWKUNDE DIVISIE COMPUTATIONAL AND EXPERIMENTAL MECHANICS

Solid Mechanics (4MB00): Tussentoets 1 1

Solid Mechanics (4MB00): Tussentoets 1 3

Voorblad bij tentamen

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN FACULTEIT WERKTUIGBOUWKUNDE DIVISIE COMPUTATIONAL AND EXPERIMENTAL MECHANICS

FACULTEIT ECONOMIE EN BEDRIJFSKUNDE Afdeling Kwantitatieve Economie

8 pagina s excl voorblad van 13:30-16:30 uur J.W. (Hans) Welleman

: Vermeld op alle bladen van uw werk uw naam. : Het tentamen bestaat uit 3 bladzijden inclusief dit voorblad.

Mechanica - Sterkteleer - HWTK PROEFTOETS versie C - OPGAVEN en UITWERKINGEN.doc 1/16

TOEGEPASTE MECHANICA 6 1 e Jaar. Ir J.W. (Hans) Welleman Universitair docent TU-Delft, Civiele Techniek, Constructiemechanica

Tentamen Toegepaste elasticiteitsleer (4A450) Theoriedeel

Uitwerking Tentamen Klassieke Mechanica I Dinsdag 10 juni 2003

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN FACULTEIT WERKTUIGBOUWKUNDE DIVISIE COMPUTATIONAL AND EXPERIMENTAL MECHANICS

Basic Creative Engineering Skills

: Vermeld op alle bladen van uw werk uw naam. : Het tentamen bestaat uit 3 bladzijden inclusief dit voorblad.

Module 3 Uitwerkingen van de opdrachten

- KLAS 5. a) Bereken de hellingshoek met de horizontaal. (2p) Heb je bij a) geen antwoord gevonden, reken dan verder met een hellingshoek van 15.

Buiging van een belaste balk

COLLEGE ONDERWERPEN. 1 Spanningstensor Spanningsdefinitie Spanningstoestanden en voorbeelden 2 Rektensor CTB2210 : SPANNINGS REK RELATIE

Examen Klassieke Mechanica

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN FACULTEIT WERKTUIGBOUWKUNDE DIVISIE COMPUTATIONAL AND EXPERIMENTAL MECHANICS

Voorblad bij tentamen

: Vermeld op alle bladen van uw werk uw naam. : Het tentamen bestaat uit 4 bladzijden inclusief dit voorblad en een uitwerkingsblad.

Tentamen Fysica in de Fysiologie (8N070) deel AB herkansing, blad 1/5

: Vermeld op alle bladen van uw werk uw naam. : Het tentamen bestaat uit 3 bladzijden inclusief dit voorblad.

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Technische Natuurkunde Examen Elektromagnetisme 3 (3NC30) donderdag 5 juli 2012 van 14u00-17u00

Dit tentamen bestaat uit vier opgaven. Iedere opgave bestaat uit meerdere onderdelen. Ieder onderdeel is zes punten waard.

Formules Materiaaltechnologie

Tentamen Mechanica ( )

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Technische Natuurkunde Examen Elektromagnetisme 3 (3NC30) donderdag 30 juni 2011 van 14u00-17u00

168 HOOFDSTUK 5. REEKSONTWIKKELINGEN

a Teken een elementair kubusje met de optredende spanningen (0.6 punt)

Opgaven Functies en Reeksen. E.P. van den Ban

Tentamen Warmte-overdracht

Tentamen Modellen en Simulatie (WISB134)

: Vermeld op alle bladen van uw werk uw naam. : Het tentamen bestaat uit 4 bladzijden inclusief dit voorblad.

UNIVERSITEIT TWENTE Faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica

Stelsels lineaire differentiaalvergelijkingen (homogeen)

De parabool en de cirkel raken elkaar in de oorsprong; bepaal ook de coördinaten van de overige snijpunten A 1 en A 2.

Uitwerkingen tentamen optica

Tentamen Analyse van Continua

1. Langere vraag over de theorie

Indicatie van voorkennis per les Algemene relativiteitstheorie Docent: Dr. H. (Harm) van der Lek

b Wat zijn de waarden van de hoofdspanningen in het kubusje? (zie figuur)

Eerste deeltentamen Lineaire Algebra A. De opgaven

Limit design criteria

1 ELECTROSTATICA: Recht toe, recht aan

Uitwerkingen Tentamen Gewone Differentiaalvergelijkingen

Calculus I, 23/11/2015

Tentamen Verwerking en Eigenschappen van Kunststoffen ( ) 2 februari 2012, uur

Tentamen Lineaire Algebra UITWERKINGEN

Mechanica - Sterkteleer - HWTK PROEFTOETS versie C - OPGAVEN.doc 1/7

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN

Antwoorden Tentamen Fysica van de Vaste Stof woensdag 2 maart 2011, uur

Langere vraag over de theorie

MODELBOUW eindopdrachten 6 november 2006

Eindronde Natuurkunde Olympiade 2014 theorietoets deel 1

Opgaven bij de cursus Relativiteitstheorie wiskunde voorkennis Najaar 2018 Docent: Dr. H. (Harm) van der Lek

a Teken een elementair kubusje met de optredende spanningen (0.7 punt) Heerst in het bovenstaande kubusje een vlakke spanningstoestand? (0.

Plasticiteit en grensspanningshypothesen INHOUD LES 2. Inleiding grensspannings-hypothesen

8.1. Sterktebepaling in SE?

MechRela voor TW. Hertentamen - uitwerkingen. 22 mei 2015, 14:00-17:00h. (b) Formuleer de postulaten van de speciale relativiteitstheorie.

Hoofdstuk 9: Niet-lineaire differentiaalvergelijkingen en stabiliteit

Tentamen Warmte-overdracht

( ) ( ) Bij welke karakteristieke afschuifsnelheid zijn de weerstanden voor beide materialen gelijk: dan moet gelden:

Tentamen Simulaties van biochemische systemen - 8C Juni uur

Tentamen Materiaalmodellen en Niet-lineaire Mechanica Docent: P.C.J. Hoogenboom 29 mei 2012, 18:00 tot 19:30 uur. Vraagstuk 1 (30 minuten, 3 punten)

MECHANICAII FLUIDO 55

Opgaven voor Tensoren en Toepassingen. 1 Metrieken en transformatiegedrag

b) Uit Bayes volgt, gebruik makend van onderdeel a) P (T V )P (V ) P (T ) = (0.09)(0.07)

WPO Differentiaalmeetkunde I

RBEID 16/5/2011. Een rond voorwerp met een massa van 3,5 kg hangt stil aan twee touwtjes (zie bijlage figuur 2).

TENTAMEN WISKUNDIGE BEELDVERWERKINGSTECHNIEKEN

Tentamen Klassieke Mechanica, 29 Augustus 2007

Transcriptie:

Tentamen Fundamentals of Deformation and Linear Elasticity (4A450) Datum: 6 maart 00 Tijd: 14:00 17:00 uur Locatie: Matrixgebouw, zaal 1.60 Dit tentamen bestaat uit drie opgaven. Het gebruik van het dictaat, oefeningenbundel en notebook is verboden. Wel toegestaan zijn het aangehechte formuleblad en een eenvoudige rekenmachine. Succes! Opgave 1 Spuitgieten is een veelgebruikte methode voor de vervaardiging van kunststof producten (zie figuur 1). Figuur 1: Spuitgieten van een kunststof product. Tijdens het spuitgieten van een polymeersmelt zijn in een bepaald punt in de smelt de componenten van de infinitesimale rektensor ten opzichte van een cylindrische basis { e r, e θ, e z } gegeven door de volgende matrix: 5 1 1 = 1 0 4 ε 1 4 0 De grootste hoofdrek (principal strain) behorende bij deze rektoestand is ɛ 1 = 6 Verder zijn bekend de hoofdrekrichtingen (principal strain directions) N 1 = 1 6 ( e r + e θ + e z ) N = 1 ( e r e θ e z ) a. Is de infinitesimale rektensor een zinvolle maat voor de hier beschouwde rektoestand? Verklaar. b. Bepaal de ontbrekende hoofdrekken ɛ, ɛ en de hoofdrekrichting N. c. Bereken de normaalrek (normal strain) in de richting n = 1 ( e r e z ). d. Bepaal de maximale normaalrek. e. Bepaal de maximale afschuiving (shear). 1

Opgave Mechanische onderdelen die aan grote oppervlaktebelastingen blootstaan worden veelal voorzien van een beschermende, harde coating. Het aanbrengen van deze coatings geschiedt in het algemeen onder hoge temperaturen. Verschillen in uitzettingscoëfficiënt tussen de coating en het onderliggende materiaal veroorzaken dan bij het afkoelen residuele spanningen in het materiaal. Door middel van materiaalkeuze en temperatuursinstellingen kan de grootte en het teken (trek of druk) van deze residuele spanning zodanig gemanipuleerd worden dat een optimale vervormingsweerstand verkregen wordt. e z p P e y e x staal coating Figuur : Beschermende coating op stalen onderdeel. Figuur toont een schematische weergave van een coating aangebracht op een vlak oppervlak van een stalen machinecomponent. In het punt P aan het oppervlak van de coating heerst een residuele spanning σ r in het vlak van de coating; σ r kan zowel positief als negatief zijn. Wanneer de machine in bedrijf is zal verder op het oppervlak een drukspanning ter grootte p 0 werken. In termen van de in de figuur aangegeven basis is de spanningstensor (stress tensor) in P in dat geval gegeven door σ = σ r ( ex e x + e y e y ) p ez e z Doel van de coating is de toelaatbare belasting p te verhogen ten opzichte van het ongecoate staal. a. Bepaal de invarianten J 1, J en J van de hierboven gegeven spanningstensor. b. Bepaal de deviatorische spanningstensor σ d. c. Bepaal de Von Mises vergelijkspanning (equivalent stress) σ vm als functie van σ r en p, waarbij σ vm gedefinieerd is als σ vm = σ d : σ d d. Als verondersteld wordt dat elasticiteitsgrens van het coatingmateriaal gegeven wordt door het Von Mises criterium met een vloeispanning (yield stress) σ y, wat voor residuele spanningen zijn dan te prefereren: trek of druk? Binnen welke grenzen voor σ r is het zinvol deze te manipuleren? e. Verandert deze conclusie als in plaats van Von Mises het Rankine criterium wordt gebruikt? Opgave Instabiele sneeuwlagen op berghellingen kunnen aanleiding geven tot lawines. Om persoonlijke ongelukken te voorkomen is het van groot belang het risico op dergelijke sneeuwlawines in te schatten en eventuele gevaarlijke situaties weg te nemen door middel van explosies. In het bijzonder de combinatie van een laag versgevallen sneeuw op een oudere, inmiddels hard geworden sneeuwlaag blijkt gevaarlijk. Een dergelijke situatie is geschetst in figuur. De nieuwe sneeuwlaag met een uniforme dikte h heeft zich gehecht op een onderlaag die star verondersteld kan worden. Het geheel

α h e e 1 e Figuur : Lawine-gevaarlijke sneeuwlaag. staat onder een hoek α. Enkel de belasting door het eigengewicht van de sneeuw wordt in beschouwing genomen; deze geeft aanleiding tot een verdeelde belasting (body force) ρ q gelijk aan ρ q = ρg (sin α e 1 + cos α e ) waarbij ρ de dichtheid van de sneeuw voorstelt en g de gravitatieversnelling. Het verplaatsingsveld in de sneeuwlaag wordt geschreven als u = U 1 (x ) e 1 + U (x ) e met U 1 (x ) en U 1 (x ) vooralsnog onbekende functies van de coordinaat x in e -richting. a. Bepaal de infinitesimale rektensor ε behorende bij dit verplaatsingsveld in termen van de afgeleiden U 1 = du 1/dx en U = du /dx. b. Bepaal de spanningstensor σ, onder de veronderstelling van isotroop, lineair elastisch materiaalgedrag met Lamé constanten λ en µ. c. Laat zien dat evenwicht (equilibrium) in de sneeuwlaag beschreven wordt door de differentiaalvergelijkingen µ d U 1 dx ρg sin α = 0 (λ + µ) d U dx ρg cos α = 0 In het volgende beschouwen we enkel de verplaatsing U 1 parallel aan de helling. De algemene oplossing voor U 1 luidt U 1 (x ) = A 1 + B 1 x + ρg sin α µ x met A 1 en B 1 integratieconstanten. d. Aan welke randvoorwaarden (boundary conditions) dientu 1 (of afgeleiden daarvan) te voldoen zolang de sneeuwlaag stabiel is? Verklaar. e. Bepaal de integratieconstanten A 1 en B 1 als functie van ρ, g, h en α. f. De verse sneeuwlaag kan gaan schuiven wanneer de schuifspanning (shear stress) σ ns tussen deze laag en de harde onderlaag (dus op x = 0) groter wordt dan τ c = 1.4 kpa. Bereken voor een helling van α = 0 bij welke hoogte verse sneeuw h de situatie kritiek wordt. Voor ρ en g kan genomen worden ρ = 170 kg/m en g = 9.81 m/s.

4

Uitwerkingen Tentamen Fundamentals of Deformation and Linear Elasticity (4A450) Datum: 6 maart 00 Tijd: 14:00 17:00 uur Locatie: Matrixgebouw, zaal 1.60 Opgave 1 a. Nee, daarvoor zijn de rekken veel te groot. b. De hoofdrekrichtingen zijn onderling loodrecht. De ontbrekende hoofdrekrichting N kan dus bepaald worden als N = N 1 N = 1 ( e θ e z ) Nu de drie hoofdrichtingen bekend zijn kunnen de ontbrekende hoofdrekken eenvoudig bepaald worden als de normaalrekken in de hoofdrekrichtingen N i : ɛ i = N i ε N i Uitwerken voor i = eni = levert respectievelijk: ɛ = ɛ = 4 c. De gevraagde normaalrek ε nn volgt uit ε nn = n ε n = d. De maximale normaalrek is gelijk aan de grootste hoofdrek: ɛ nn,max = ɛ 1 = 6 e. De maximale afschuiving γ max is gegeven door γ max = ɛ 1 ɛ = 10 Opgave a. De invarianten van σ zijn gegeven door J 1 = tr(σ ) = σ r p ( J = 1 tr (σ ) tr(σ σ ) ) = σ r (σ r p) J = det(σ ) = σr p b. Met bovenberekend spoor van σ volgt voor de deviatorische spanningstensor σ d = σ 1 tr(σ )I = 1 (σ r + p) ( e x e x + e y e y e z e z ) 1

c. De Von Mises spanning is gelijk aan σ vm = σ d : σ d = σ r + p d. De vloeigrens zal pas voor hogere drukken p bereikt worden als σ r negatief is, dus residuele drukspanningen zijn te prefereren. Echter, wanneer deze te hoog worden treedt al in de onbelaste toestand vloei op. Zinvolle waarden voor σ r voldoen dus aan σ y <σ r < 0. e. Ja, volgens het Rankine criterium wordt de elasticiteitsgrens bepaald door de in absolute zin grootste hoofdspanning. In zinvolle situaties zal deze altijd gelijk zijn aan de de druk p. Vloei zal dus optreden voor p = σ y, onafhankelijk van de residuele spanning σ r. Het teken en de grootte van σ r doen er dus niet toe, zolang σ y <σ r <σ y. Opgave a. De rektensor ε is gelijk aan ε = 1 ( u + ( u) T ) = 1 U 1 ( e 1 e + e e 1 ) + U e e b. Substitutie van bovenstaande rektensor in de wet van Hooke levert voor de spanningstensor σ = λtr(ε)i + µε = λu e 1 e 1 + µu 1 ( e 1 e + e e 1 ) + (λ + µ)u e e + λu e e c. Invullen van de hierboven verkregen uitdrukking voor de spanningen en de gegeven verdeelde belasting in de algemene evenwichtsvergelijking σ + ρ q = 0 leidt tot µu 1 e 1 + (λ + µ)u e ρg (sin α e 1 + cos α e ) = 0 Aan de e -component van deze vergelijking is automatisch voldaan; de andere twee componenten leveren de twee gevraagde vergelijkingen. d. Op x = 0 is de sneeuwlaag gehecht op de starre onderlaag; hier moet dus gelden U 1 (0) = 0 Het vrije oppervlak (x = h) is spanningsloos. Hier moet dus onder andere gelden dat σ 1 = µu 1 = 0 ofwel du 1 dx = 0 x =h e. Na substitutie van de gegeven algemene oplossing kunnen de integratieconstanten A 1 en B 1 eenvoudig opgelost worden uit bovenstaande randvoorwaarden: A 1 = 0 ρgh sin α B 1 = µ f. De schuifspanning σ ns tussen de twee sneeuwlagen is gelijk aan σ ns = σ 1 =µ U 1 (0) =ρgh sin α Gelijkstellen aan de kritieke waarde τ c levert voor h de maximale waarde τ c h = ρg sin α = 1.7m