Mechanika, Budowa Maszyn

Inspiracją do napisania niniejszego podręcznika stały się zajęcia z przedmiotu Metody komputerowe dla studentów studiów inżynierskich (dziennych i zaocznych) na Wydziale Inżynierii Lądowej. Potrzebę powstania takiego podręcznika zgłaszali od dawna zarówno studenci, jak i prowadzący zajęcia laboratoryjne.
Zasadnicze rozdziały podręcznika wiążą się z analizą układów prętowych. Spośród licznych typowych konstrukcji inżynierskich (omawianych w ramach wytrzymałości materiałów i mechaniki budowli) wybrano głównie belki i ramy. Dla najprostszego układu, jakim jest zginana belka przypomniano opis matematyczny ciągłego modelu fizycznego, aby przygotować podstawy do budowy opisu matematycznego dyskretnego układu. Problem początkowo-brzegowy został przedstawiony na elementarnym poziomie, w nawiązaniu do technicznej teorii belek zginanych (zadanie geometrycznie jednowymiarowe). W materiale uzupełniającym podano informacje o ramach przestrzennych i ustrojach powierzchniowych. W przedmiocie położono nacisk na przejście od ustrojów ciągłych do układów dyskretnych, aby model obliczeniowy był dostosowany do narzędzia jakim jest komputer. Z wielu metod komputerowych wybrano zasadniczo tylko metodę elementów skończonych (MES) i metodę różnic skończonych (MRS).

Skrypt Mechanika ogólna składa się z trzech części. Część pierwsza obejmuje Statykę, druga Kinematykę, trzecia zaś Dynamikę. Skrypt powstał na podstawie wieloletnich wykładów, które autorzy prowadzili na Wydziale Budowy Maszyn i Lotnictwa Politechniki Rzeszowskiej. Materiał zawarty w skrypcie odpowiada programowi zajęć dydaktycznych z przedmiotu mechanika ogólna prowadzonego dla studentów wydziałów mechanicznych wyższych uczelni technicznych. W skrypcie podano podstawowe wiadomości teoretyczne, ilustrując je rozwiązaniem odpowiednio dobranych przykładów. Zamieszczono również wiele zadań do samodzielnego rozwiązywania przez studentów. Statyka jest częścią mechaniki, która zajmuje się równowagą ciał. Przez równowagę ciała rozumiemy jego spoczynek lub taki ruch, gdy wszystkie punkty ciała poruszają się po liniach prostych ze stałymi prędkościami. Równowaga ciała, którą będziemy się zajmowali w statyce, to jego spoczynek, czyli niemożliwość zmiany położenia względem przyjętego układu odniesienia. Z zasad Newtona wynika, że ciało pozostaje w równowadze, jeżeli układ sił działających na to ciało pozostaje w równowadze. To znaczy, że o równowadze ciała decyduje równowaga układu sił działających na ciało.

Podstawy konstrukcji urządzeń mechanicznych

Drgania mechaniczne albo wibracje to nisko częstotliwościowe drgania akustyczne rozprzestrzeniające się w ośrodkach stałych. Są przenoszone drogą bezpośredniego kontaktu z drgającym źródłem na poszczególne tkanki ciała człowieka lub na cały jego organizm. Wibracja i wstrząsy są bodźcami fizycznymi przekazywanymi bezpośrednio z materiału drgającego, z pominięciem środowiska powietrznego.
Drgania towarzyszące człowiekowi w życiu codziennym mogą występować jako zjawisko naturalne albo wywołane działalnością człowieka, podczas jego pracy. Do zjawisk naturalnych zalicza się m.in. trzęsienia ziemi, wiatr, natomiast działalność człowieka obejmuje pracę maszyn i urządzeń, przemieszczenie pojazdów, prace budowlane, przelot samolotów i inne.
Drgania mechaniczne są niejednokrotnie czynnikiem celowo generowanym, niezbędnym do realizacji określonych procesów technologicznych. Często jednak stanowią tzw. czynnik resztkowy, są zjawiskiem ubocznym, które w sposób niezamierzony towarzyszy eksploatacji maszyn i urządzeń. W obu przypadkach drgania mechaniczne, generowane przez różnego rodzaju źródła, mogą powodować uszkodzenia konstrukcji mechanicznych i zakłócać prawidłową ich pracę, a także przyspieszać zużycie elementów.

Podręcznik dla studentów Wydziału Budowy Maszyn i Lotnictwa
kierunków: mechanika i budowa maszyn; mechatronika;
inżynieria produkcji; lotnictwo i kosmonautyka; inżynieria środków transportu
do wykładów z przedmiotu „wprowadzenie do techniki”.

Niniejszy poradnik ma stanowić dla użytkowników maszyn sprężających pomoc w podjęciu stosownej decyzji przy zakupie nowych maszyn, a także w ocenie maszyn dotychczas stosowanych. Może też być także przydatny studentom różnych kierunków studiów. W kolejnych rozdziałach omówiono: (1) podstawowe pojęcia i definicje, (2) termodynamiczno-przepływowe podstawy procesów sprężania, (3) rodzaje maszyn sprężających, (4) przykłady konstrukcyjne poszczególnych typów maszyn, (5) dobór maszyny sprężającej, (6) współpracę kilku maszyn z instalacją, (7) rurociągi sprężonego powietrza, (8) zbiorniki sprężonego powietrza, (9) sprężarkownie, (10) uzdatnianie sprężonego powietrza i kondensatu, (11) tłumienie hałasu, (12) badania odbiorcze maszyn sprężających).

Podręcznik, przeznaczony dla słuchaczy wykładów z zakresu silników spalinowych, zawiera podstawowe wiadomości na temat łożyskowania mechanizmu korbowego tłokowych silników spalinowych. W kolejnych rozdziałach omówiono: rodzaje i funkcje łożysk spalinowych, najważniejsze procesy tarcia zachodzące w łożyskach, materiały łożyskowe oraz budowę panwi łożyskowych i metody ich wytwarzania, smarowanie łożysk silników spalinowych (w ramach tego rozdziału przedstawiono charakterystykę olejów silnikowych oraz ich klasyfikację), mechanizm pracy hydrodynamicznych łożysk ślizgowych (wraz z opisem metod obliczeniowych i algorytmów programów komputerowych), najczęstsze rodzaje uszkodzeń łożysk oraz ich przyczyny.

W skrypcie zaprezentowano ćwiczenia z podstaw napędów hydraulicznych i pneumatycznych, dotyczące: podstawowych elementów układów hydraulicznych, sterowania w układach hydraulicznych z zastosowaniem techniki proporcjonalnej, dokładności pozycjonowania tłoczyska cylindra hydraulicznego pod obciążeniem, podstawowych elementów układów pneumatycznych, charakterystyki pompy wyporowej, charakterystyki bezwymiarowej przekładni hydrokinetycznej oraz charakterystyki przekładni hydrostatycznej.

W skrypcie zaprezentowano ćwiczenia z podstaw napędów hydraulicznych i pneumatycznych, dotyczące: podstawowych elementów układów hydraulicznych, sterowania w układach hydraulicznych z zastosowaniem techniki proporcjonalnej, dokładności pozycjonowania tłoczyska cylindra hydraulicznego pod obciążeniem, podstawowych elementów układów pneumatycznych, charakterystyki pompy wyporowej, charakterystyki bezwymiarowej przekładni hydrokinetycznej oraz charakterystyki przekładni hydrostatycznej.

W monografii przedstawiono metodę wyznaczania oporów ruchu szybkoobrotowych, wrzecionowych łożysk skośnych. Celem metody jest określenie tych oporów, które przyczyniają się do wytworzenia ciepła w łożysku.

Niniejszy skrypt ma ułatwić Czytelnikowi opanowanie podstaw budowy i wykorzystywania modeli metody elementów skończonych (MES), a w szczególności zapoznanie się z metodami przeprowadzania obliczeń konstrukcji odkształcalnych za pomocą systemu programów ANSYS (ANSYS Inc., USA).
 
Pakiety profesjonalnych programów metody elementów skończonych składają się z wielu współpracujących ze sobą modułów i tworzą systemy obliczeniowe, pozwalające na analizy różnych problemów opisywanych równaniami różniczkowymi cząstkowymi, dotyczących mechaniki konstrukcji odkształcalnych, przepływu ciepła, mechaniki płynów, pól elektromagnetycznych itd. W mechanice konstrukcji metoda elementów skończonych stosowana jest niemal do wszystkich typów stawianych praktycznie zadań.
 
Programy obliczeniowe MES zawierają algorytmy ułatwiające budowę modelu geometrycznego i umożliwiające wprowadzenie opisu modelu z najbardziej popularnych systemów CAD. Wyposażane są także w algorytmy automatycznej dyskretyzacji i rozbudowane moduły graficznej prezentacji modelu i wyników obliczeń. W nowoczesnych programach MES dostępnych jest zwykle wiele metod rozwiązywania układów równań liniowych, równań nieliniowych, zagadnień własnych itp. Do najbardziej znanych systemów metody elementów skończonych wykorzystywanych w mechanice konstrukcji należą ANSYS, NASTRAN, ABAQUS, COSMOS, FEMAP, MARC. Dostępnych jest także wiele komercyjnych programów wyspecjalizowanych, na przykład do analizy konstrukcji budowlanych, do obliczeń konstrukcji kompozytowych, rurociągów itd. Moduły obliczeniowe metody elementów skończonych dołączane są również do wielu programów CAD.
 
Budowa własnych programów metody elementów skończonych wymaga bardzo dobrego przygotowania w zakresie matematyki, metod numerycznych i teorii analizowanych problemów. Warto jednak podkreślić, że również dla efektywnego posługiwania się gotowymi, sprawdzonymi pakietami MES potrzebne jest rozumienie metody i jej podstaw matematycznych, a także dobra znajomość wykorzystywanych programów i badanych zjawisk. Wyniki obliczeń MES w każdym przypadku powinny być weryfikowane przez uproszczone szacunki analityczne i sprawdzenie jakościowej poprawności wybranych rezultatów cząstkowych (reakcje, ciągłość pola przemieszczeń, zgodność z warunkami brzegowymi itp.).
 
Prezentowane opracowanie jest zmodyfikowaną i istotnie rozszerzoną wersją publikowanego wcześniej przez Oficynę Wydawniczą Politechniki Warszawskiej skryptu. Modele analizowane w tej publikacji budowane były za pomocą wersji (v.15) pakietu programów ANSYS, powszechnie wykorzystywanego zarówno w badaniach naukowych, jak i w praktyce inżynierskiej. Od wielu lat ANSYS jest stosowany w Politechnice Warszawskiej i innych polskich uczelniach. Zamierzeniem autorów było jednak przedstawienie zasad praktycznego wykorzystania MES w obliczeniach inżynierskich i interpretacji wyników, a nie wprowadzanie Czytelnika w szczegóły użytkowania wybranego programu. Tematy zadań opisywanych w skrypcie odpowiadają potrzebom i profilowi wykształcenia studentów na kierunkach prowadzonych przez Wydział Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej. Omawiane ćwiczenia stanowią w większości praktyczne uzupełnienie wykładu metody elementów skończonych. W każdym ćwiczeniu przypomniane są podstawy opisu teoretycznego analizowanych zagadnień tak, by ułatwić zrozumienie zasad budowy modelu MES, a także interpretację i dyskusję wyników. Niektóre z prezentowanych zadań mogą być wykorzystywane do samodzielnego przygotowania się do analizy bardziej zaawansowanych problemów, rozwiązywanych na przykład w ramach prac przejściowych i dyplomowych.

Monografia zawiera opis dostępnych przemysłowych technologii drukowania cyfrowego opakowań. Przedstawiono w niej nową klasyfikację opakowaniowych podłoży drukowych (rozdział pierwszy), a w rozdziale drugim także opis technologii cyfrowych. W monografii zaprezentowane zostały wyniki przeprowadzonych badań nad jakością różnych odbitek cyfrowych wykonanych na podłożach dedykowanych i niededykowanych. W rozdziale trzecim opisano produkcyjne systemy drukowania cyfrowego, w tym systemy uszlachetniania. Na koniec przedstawiono charakterystykę opakowaniowych podłoży drukowych oraz atramentów i tonerów.

Monografia przedstawia optymalizację procesu wielokryterialnego projektowania amortyzatora hydraulicznego. W publikacji prezentowany jest proces rozwoju modelu symulacyjnego, uwzględniający zadania formułowania równań matematycznych oraz zadania identyfikacji parametrów modelu. W opracowaniu zawarto wyniki optymalizacji wielokryterialnej wraz z ich omówieniem.

W monografii przedstawiono rozwój oraz testowanie sztucznych systemów immunologicznych w optymalizacji układów mechanicznych. Praca składa się z dziesięciu rozdziałów. Opisano w nich naturalny system immunologiczny (NSI) – układ odpornościowy, sztuczny system immunologiczny (SSI), zawarto testy SSI przeprowadzone odpowiednio na funkcjach matematycznych oraz dla inżynierskich przykładów testowych z użyciem procedury optymalizacji, opisanej w rozdziale piątym. W kolejnych rozdziałach opisano również przykłady numeryczne równoczesnej optymalizacji kształtu topologii oraz własności oraz własności materiałów dla układów przestrzennych. Rozdział ósmy poświęcony jest optymalizacji w zagadnieniach wielkoskalowych natomiast dziewiąty zawiera metodę identyfikacji parametrów materiałowych w zagadnieniach piezoelektrycznych.