«Специальные разделы теории пластичности и ползучести»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет летательных аппаратов

Кафедра прочности летательных аппаратов

                                                       УТВЕРЖДАЮ

Декан факультета летательных аппаратов

___________ д. т.н., профессор

«____» _______________ 2006 г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

«Специальные разделы теории пластичности и ползучести»

ООП по направлению 150300 – «Прикладная механика» подготовки дипломированного специалиста (специальность 150301 – «Динамика и прочность машин»)

Квалификация – инженер

Факультет летательных аппаратов

Кафедра Прочности летательных аппаратов

Курс________5_______ Семестр _______10 ______

Лекции_____34_______час.

Практические (семинарские) занятия_______________час.

Лабораторные занятия ______17_________час.

Контр. работы___________

Курсовые работы____10____

Курсовые проекты_________

РГР _________10__________

Экзамен ______10____семестр

Зачёт__________________ семестр

Самостоятельная работа_________40_______час.

Всего часов______91_____

Новосибирск

2006

Рабочая программа составлена на основании:

государственного образовательного стандарта по направлению 651500 – «Прикладная механика» подготовки дипломированного специалиста (специальность 071100 – «Динамика и прочность машин»), утверждённого 02.03.2000 г., № 000.

Дисциплина «Специальные разделы теории пластичности и ползучести» – одна из специальных дисциплин, предлагаемых в Новосибирском государственном техническом университете при реализации Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 651500 (специальность 071100 – «Динамика и прочность машин»). Курс «Специальные разделы теории пластичности и ползучести» является продолжением курса «Теория пластичности и ползучести», изучаемого в рамках подготовки бакалавра по направлению 153000 – «Прикладная механика».

Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры «Прочность летательных аппаратов» НГТУ,  протокол № __  от  __________  200  г.

Программу составил

профессор, д. т.н.                                                        

Заведующий кафедрой ПЛА

профессор, д. т.н.                                                        

Ответственный за образовательную программу

д. т.н., зам. зав. кафедрой ПЛА                                

1. Внешние требования

Курс входит в цикл «специальные дисциплины». Общие требования к курсу ГОС № 000 тех/инж (табл. 1):

Таблица 1                

Шифр дисциплины	Содержание учебной дисциплины	Часы
СД.02	Теория пластичности и ползучести Экспериментальные и физические факты развития неупругих деформаций в металлах и твердых сплавах. Основные теоретические соотношения между напряжениями и деформациями за пределами упругости. Математические теории пластичности, вязкоупругости, ползучести и длительной прочности. Анизотропные и сложные среды. Методы экспериментального определения механических характеристик материала. Анализ неустойчивости процессов деформирования. Методы решения задач пластичности и ползучести. Особенности применения метода конечных элементов и метода граничных элементов в задачах с физической нелинейностью. Энергетические теоремы и экстремальные принципы. Теория и методы расчета предельного состояния различных элементов машиностроительных конструкций. Динамические задачи для жесткопластического тела. Циклическое деформирование и приспособляемость. Теория накопления рассеянного разрушения. Методы расчета времени разрушения при ползучести элементов конструкций в условиях нестационарного силового и теплового воздействий.	204

Согласно п. 1.4.2 ГОС объектами профессиональной деятельности инженера по направлению подготовки дипломированного специалиста “Прикладная механика” являются:

расчеты и проектирование новой техники в том числе предназначенной для работы в экстремальных условиях; экспериментальные исследования создаваемых образцов новой техники, приборов, машин, конструкций и новых материалов; создание и развитие аналитических и численных методов расчета новой техники, приборов, машин и конструкций; теоретическое и экспериментальное исследование динамики и устойчивости механических систем; исследование надежности, ресурса и безопасности машин, конструкций и приборов; разработка математических моделей расчета конструкций из композиционных и перспективных материалов, находящихся в экстремальных условиях эксплуатации.

Согласно п. 1.4.3 ГОС инженер по направлению подготовки “Прикладная механика” может в соответствии с фундаментальной и специальной подготовкой выполнять следующие виды профессиональной деятельности:

научно-исследовательская; проектно-конструкторская;

организационно-управленческая.

       Согласно п. 1.4.5 ГОС подготовка выпускника должна обеспечивать квалификационные умения для решения профессиональных задач:

участие во всех фазах проектирования, разработки, изготовления и сопровождения объектов профессиональной деятельности; использование современных методов, средств и технологий разработки объектов профессиональной деятельности; взаимодействие со специалистами смежного профиля при разработке методов, средств и технологий проектирования объектов профессиональной деятельности; участие в научных исследованиях и проектно-конструкторской деятельности, в управлении технологическими, экономическими, социальными системами; проведение комплексного технико-экономического анализа для обоснованного принятия решений, изыскание возможности сокращения цикла работ, содействие подготовке процесса их реализации с обеспечением необходимыми техническими данными, материалами, оборудованием; участие в работах по осуществлению исследований, в разработке проектов и программ, в проведении необходимых мероприятий, связанных с испытаниями оборудования  и внедрением его в эксплуатацию, а также в выполнении работ по стандартизации технических средств, систем, процессов, оборудования, в рассмотрении различной технической документации.

2. Особенности (принципы) построения дисциплины

Особенности (принципы) построения дисциплины описываются в табл. 2.

Таблица 2

Особенности (принципы) построения дисциплины

Особенность (принцип)	Содержание
Основание для введения курса	ГОС по направлению 651500 (специальность 071100 – «Динамика и прочность машин»), утверждённая 02.03.2000 г., № 000.
Адресат курса	Студенты 5 курса, обучающиеся по 651500 (специальность 071100 – «Динамика и прочность машин»)
Главная цель	Изучение особенностей неупругого деформирования материалов,  условий возникновения пластических деформаций, методов решения задач теории пластичности,  основных уравнениях теории ползучести и вязкоупругости и методов решения этих задач.
Ядро курса	Ядро курса составляют теории пластичности и ползучести и их применение к решению практических задач неупругого деформирования элементов конструкций.
Требования к начальной подготовке, необходимые для успешного усвоения Вашего курса	Табл. 3.
Уровень требований по сравнению с ГОС	Уровень требований соответствует ГОС.
Объём курса в часах	Лекции - 51 ч, Практические занятия - 34 ч, Самостоятельная работа - 20 ч.
Основные понятия курса	Теория пластичности, теория ползучести, теория вязкоупругости и пластичности, методы решения задач.
Направленность курса на развитие общепредметных, общеинтеллектуальных умений, обладающих свойством переноса	Пластичность, ползучесть, вязкоупругость, численное моделирование.
Обеспечение последующих дисциплин	Табл. 3.
Практическая часть курса	В течение семестра  в рамках практических занятий студент осваивает навыки решения практических задач неупругого деформирования элементов конструкций.
Области применений полученных знаний и умений	Научно-исследовательская деятельность, расчет и проектирование элементов конструкций в условиях пластичности и ползучести.
Описание основных "точек" контроля	Промежуточный контроль – защита результатов выполнения расчетно-графического задания на практических занятиях. Итоговый контроль –и теоретический экзамен. Экзаменационные билеты содержат два теоретических вопроса и одну практическую задачу по изученным разделам курса.
Курс и современные информационные технологии	В рамках курса студенты проводят численные расчеты с применением алгоритмических языков (Си, Фортран, Паскаль), известных математических вычислительных программ (типа MathCAD).
Курс и современное состояние науки и практики	При изучении курса студентам дается не только историческая справка об этапах развития дисциплины, но и в нем отражается современное состояние теории пластичности и ползучести.

Таблица 3

Междисциплинарные связи

Дисциплина	Знать	Уметь
Предшествующие по учебному плану дисциплины
Математический анализ	Дифференциальное и интегральное исчисления, дифференциальные уравнения; численные методы; основы вычислительного эксперимента; уравнения математической физики.	Выполнять основные операции с векторами, матрицами, системами линейных алгебраических уравнений, дифференциальных уравнений и их систем; вычислять производные и дифференциалы.
Теоретическая механика	Дифференциальные уравнения движения механической системы.	Составлять уравнения и решать задачи теоретической механики.
Сопротивление материалов	Диаграммы растяжения конструкционных материалов и их характерные параметры; сравнение механических свойств пластичных и хрупких материалов.	Уметь решать задачи расчета на прочность стержневых и рамных конструкций.
Теория упругости	Тензоры напряжений и деформаций. Уравнения равновесия. Условия совместности деформаций. Связь между напряженным и деформированным состояниями.	Уметь ставить и решать задачи теории упругости.
Теория пластичности и ползучести	Основные законы теории пластичности и ползучести, методы решения задач по типовым методикам	Уметь решать задачи расчета напряженно-деформированного состояния типовых элементов конструкций (балки, пластины) с учетом пластичности и ползучести.
Последующие по учебному плану дисциплины
Оптимальное проектирование в МДТТ	Основы расчета стержней, пластин и оболочек за пределом теории упругости.	Уметь решать задачи оптимизации стержней пластин и оболочек с учетом пластичности и ползучести.
Конструкционная прочность	Нелинейную механику разрушения конструкционных материалов.	Иметь представление о распределении пластической зоны вокруг концентраторов напряжений с учетом образования пластических зон.

3. Цели учебной дисциплины

Цели учебной дисциплины описываются в табл. 4.

Таблица 4

После изучения дисциплины студент будет:

№ цели	Содержание цели
Студент будет иметь представление
1	о неупругом деформировании материалов, об условиях возникновения пластических деформаций и ползучести
2	об основных уравнениях и методах решения задач теории пластичности
3	об основных уравнениях теории ползучести и методах решения задач теории ползучести
4	О применении метода конечных элементов к решению физически нелинейных задач
5	О моделях вязкоупругих тел и о методах решения задач
Студент будет знать
6	механические свойства материалов при их неупругом деформировании и методы экспериментального определения механических характеристик материала
7	численные методы решения задач теории пластичности, ползучести и вязкоупругости
8	понятие циклического деформирования и приспособляемости элементов конструкций
9	Дифференциальные законы деформирования общего вида в вязкоупругости. Использование операторной формы записи для решения этих задач
Студент будет уметь
10	самостоятельно выбирать расчетную схему для решения прикладных задач теории пластичности, ползучести, вязкоупругости и вязкопластичности
11	рассчитать на прочность и жесткость элементы машиностроительных конструкций при интенсивном термосиловом воздействии с учетом пластичности, ползучести и вязкоупругости
12	применять численные методы решения задач теории пластичности и ползучести
13	оценивать предельное состояние различных элементов машиностроительных конструкций

4. Содержание и структура учебной дисциплины

Описание лекционных занятий размещается в табл. 5.

Таблица 5

Темы лекционных занятий	Ссылка на цели курса	Часы
Теория малых упругопластических деформаций и теория течения в пластичности	1, 2, 3, 6, 11	2
Применение МКЭ к решению физически нелинейных задач (методы переменной жесткости, начальных напряжений и начальных деформаций)	4, 5, 7, 8, 11, 12	4
Вязкоупругие модели (Максвелла, Фохта, Кельвина и др.)	5, 7, 10	2
Дифференциальные законы общего вида в вязкоупругости. Использование операторной формы записи для приведения дифференциальных соотношений в интегральные	5, 9, 10, 11	4
Интегральные соотношения для описания наследственно-упругого тела. Общая задача наследственной упругости. Принцип Вольтера.	5, 9, 10, 11	4
Применение преобразования Лапласа к решению задач наследственной упругости	5, 9, 11	2
Решение динамических задач линейной теории наследственности	5, 9, 11	4
Ползучесть при сложном напряженном состоянии. Изотропная и анизотропная ползучесть.	3, 7, 10, 11	4
Методы решения задач установившейся ползучести	3, 7, 10, 11	4
Методы решения задач неустановившейся ползучести	3, 7, 10, 11	4

Описание лабораторных занятий размещается в табл. 6.

Таблица 6

Темы	Выполняя практическую работу, студент:	Ссылка на цели курса	Часы
Применение МКЭ к решению технологических задач упругопластического деформирования и разгрузки пластин	Приобретает практические навыки к решению технологических задач формоизменения	11	4
Применение МКЭ к решению задач упругопластического деформирования толстостенного тела вращения, неравномерно нагретого. Предполагается учет термомеханических характеристик в зависимости от температуры	Знакомится с решением упругопластических задач нагретого тела с учетом зависимости от температуры термомеханических свойств материала	11, 12, 13	4
Решение контактных задач упругопластического деформирования (внедрение жесткой матрицы в упругопластическую тонкостенную конструкцию)	Осваивает численные методы решения контактных задач упругопластического деформирования	11, 12, 13	4
Решение задач теории пластичности, ползучести  и вязкоупругости для типовых элементов конструкций с применением МКЭ.	Осваивает численные методы решения комплексных задач теории пластичности, ползучести и вязкоупругости	11, 12, 13	4
Решение задач неустановившейся ползучести	Осваивает методы решения задач неустановившейся ползучести с применением теории течения.	7, 16, 20	2

Структура дисциплины

5. Учебная деятельность

Учебная деятельность включает в себя посещение лекций, лабораторных занятий, написание контрольной работы, выполнение курсовой работы и расчётно-графической работы.

Курсовая работа представляет собой комплексный расчет напряженно-деформированного состояния реального элемента конструкции с учетом пластичности, ползучести и вязкоупругости. Задание, как правило, берется на предприятии, на котором студент проходил производственную практику. В ряде случаев задание формулируется преподавателем.

       Расчетно-графическая работа состоит из задачи по расчету на установившуюся и неустановившуюся ползучесть ферменной конструкции. Используется теория старения и теория течения.

упругопластическое деформирование статически неопределимой фермы, выполненной из материала с линей

6. Правила аттестации студентов по учебной дисциплине

Вид деятельности	Максимальный рейтинг	Достаточный рейтинг для допуска к экзамену
Курсовой проект	50	25
Расчетно-графическая работа	10	5
Лабораторные занятия	40	20
Итого	100	50

К экзамену допускаются студенты, набравшие не менее 50 баллов в течение семестра. Экзаменационный билет содержит один теоретический вопрос. За рейтинг 90 баллов и выше автоматически ставится отлично, при рейтинге 80-89 баллов студент имеет право на выбор получить оценку хорошо или сдавать экзамен на общих основаниях.

7. Список литературы

Горшков пластичности и ползучести. Учебник для вузов. М: Физматгиз, 2002. – 416с. , , Белоусов , ползучесть и разрушение. Варианты к контрольной и курсовой работам для студентов 4,5 курсов ФЛА дневного отделения. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007. – 30с. Малинин теория пластичности и ползучести. М: Машиностроение. – 1975. – 400с. Можаровский методов теории пластичности и ползучести к решению инженерных задач машиностроения. Теория пластичности и ползучести в инженерном деле. Киев: Выща школа. – 1991. – Ч.1.– 263с. , Качаловская методов теории пластичности и ползучести к решению инженерных задач машиностроения. Методы и алгоритмы решения краевых задач. Киев: Выща школа. – 1991. – Ч.2.– 287с. , , Белоусов , ползучесть и разрушение. Варианты к контрольной и курсовой работам для студентов 4,5 курсов ФЛА дневного отделения. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007. – 25с. Качанов теории пластичности. М: Наука. – 1969. – 420с. Соколовский пластичности. М: Наука. – 1969. – 608с. , Непершин технологической пластичности. М: Машиностроение. – 1990. – 272с. Клюшников теория пластичности. М: МГУ. – 1979. – 208с. Работнов элементов конструкций. М: Наука, 1966. – 752с. , Теория пластичности для инженеров. – М: Мир, 1979. – 350с. Малинин в обработке металлов. – М: Машиностроение, 1986. – 216с. , , Ширшов задач по прикладной теории пластичности и ползучести. М: Высшая школа, 1984. – 231с. етод конечных элементов в технике. М: Мир. – 1975. – 542с.

8. Контролирующие материалы для аттестации студентов по дисциплине

Вопросы к экзамену

Теория малых упругопластических деформаций и теория течения в пластичности. Основные методы решения физически нелинейных задач с помощью МКЭ. Метод переменных параметров упругости. Методы начальных напряжений и начальных деформаций для решения физически нелинейных задач с помощью МКЭ. Уравнения МКЭ при использовании касательной матрицы жесткости. Соотношения пластичности применительно к МКЭ. Упругопластическая матрица, связывающая приращения напряжений и деформаций. Реализация метода начальных напряжений на примере условия текучести Мизеса. Теория старения в ползучести при одноосном и сложном напряженных состояниях. Теория течения в ползучести при одноосном и сложном напряженных состояниях. Теория упрочнения в ползучести. Линейная теория наследственности в ползучести. Простейшие вязкоупругие тела: модели Максвелла, Фохта и Кельвина. Дифференциальные законы деформирования общего вида в вязкоупругости. Использование операторной формы записи для приведения дифференциальных соотношений в интегральные (операторы вида и связь между ними). Использование операторов  при переходе от дифференциальных соотношений вида    к интегральным. Использование интегральных представлений вида для описания наследственно-упругого тела. Ядра ползучести K(t-τ) и релаксации Г(t-τ). Экспоненциальные и сингулярные ядра. Понятие резольвенты интегрального уравнения Фредгольма 2 рода и итерированных ядер. Экспоненциальные операторы произвольного порядка вида , их произведение и степень 

  .

Решение интегрального уравнения наследственно упругости с помощью резольвенты.

Общая задача наследственной упругости. Принцип Вольтерра. Применение преобразования Лапласа к решению задач наследственной упругости. Линейные вязкоупругие среды с ядрами вида , . Пример: ползучесть толстостенного цилиндра, заключенного в тонкую металлическую оболочку, под действием внутреннего давления. Решение динамических задач линейной теории наследственности для балок путем разложения по собственным функциям. Комплексные модули. Решение задач установившейся ползучести для балок. Установившаяся ползучесть вращающегося равномерно нагретого диска.

9. Приложение

Фрагменты контролирующих материалов

       При проверке остаточных знаний студенту дается два теоретических вопроса. В зависимости от правильности и полноты ответа ставится результирующая оценка (неудовлетворительно, удовлетворительно, хорошо, отлично).

Теория малых упругопластических деформаций Теория течения в пластичности. Методы начальных напряжений и начальных деформаций для решения физически нелинейных задач с помощью МКЭ. Уравнения МКЭ при использовании касательной матрицы жесткости. Теория старения в ползучести. Теория течения в ползучести. Простейшие вязкоупругие тела: модели Максвелла, Фохта и Кельвина. Общая задача наследственной упругости. Принцип Вольтерра. Решение динамических задач линейной теории наследственности для балок путем разложения по собственным функциям. Комплексные модули. Понятие установившейся ползучести Понятие неустановившейся ползучести Решение задач установившейся ползучести для балок.