Nelineární úlohy nosníků na pružném podkladu

Šárka Michenková

Doctoral thesis

Nonlinear Problems of the Beams on Elastic Foundation

Abstract:

Předkládaná disertační práce se zprvu zabývá řešením lineárních úloh ohybu nosníku uloženém na pružném podkladu pomocí deterministického a pravděpodobnostního přístupu - metoda SBRA (Simulation – Based Reliability Assesment). Dále se zabývá řešením ohybu nosníku uloženého na nelineárním pružném podkladu pomocí metody konečných diferencí a Newtonovy metody. Zde jsou srovnány výsledky pro lineární aproximace, různé stupně polynomických a jiných nelineárních aproximací nelineárního chování reakční síly v podkladu. Další převážná část práce se věnuje zkoumání možnosti použití pružného podkladu v tečném směru, kdy je nosník obklopený poloprostorem namáhán axiálním tahem. Cílem práce je stanovení vhodných závislostí analytickým přístupem (teorie, návrh fyzikálních modelů chování podkladu), numerickým řešením pomocí metody konečných prvků a experimentálním měřením. Dále jsou řešeny různé případy pružného podkladu v tečném směru analytickým přístupem a metodou centrálních diferencí. Práce se také zabývá průzkumem možných aproximací tuhostí, které vedou k výpočtu koeficientu stlačitelnosti podkladu. Ověřování navržených modelu je srovnáno s výsledky numerické metody. Experimentální testování navržených modelů tečného pružného podkladu bylo provedeno pomocí trhacích zkoušek. Pro experimentální měření je využito příkladu z oblasti biomechaniky, konkrétně se jedná o vytrhávání kostních šroubů z kostí (zlomeniny krčku u stehenní kosti). Trhací zkoušky jsou velmi důležité především pro výzkum chování implantátů. Pro experimentální měření byl navržen a zhotoven vlastní přípravek pro uchycení šroubů v trhacím stroji TESTOMETRIC M500. V první fázi testování jsou kostní šrouby vytrhávány z vzorku, který byl vyroben z vysušeného smrkového dřeva. Další fáze experimentu se zaobírá vytrháváním kostních šroubů z kadáveru hovězí kosti, jejichž struktura se více podobá lidské kosti. Získaná data z experimentů byly následně vyhodnocována a porovnána.

Abstract:

This dissertation thesis deals firstly with the solution of the linear problems of bending the support placed on an elastic foundation by means of deterministic and probability approaches - method SBRA (Simulation – Based Reliability Assesment). The thesis also deals with the solution of bending the support placed on a nonlinear elastic foundation using the finite difference method and the Newton method. The results for linear approximations and the different degrees of polynomial and other nonlinear approximations are compared here. Another major part of the thesis deals with the investigation of the possibility of using an elastic foundation in the tangential direction, where the support surrounded by the semi-space is subjected to axial pulling. The aim of the thesis is to determine suitable dependencies (the author’s own new model designs, analysis, theory and solution, design of physical models of the base behaviour) by analytical approach, numerical solution using the finite element method and experimental measurement. Various cases of the elastic foundation in the tangential direction are solved by analytical approach and the method of central differences. The thesis also deals with exploration of possible stiffness approximations, leading to the calculation of the coefficient of compressibility of the foundation. Verification of the proposed models is compared to the results of the numerical method. Experimental testing of the proposed tangential elastic foundation models is performed by pull-out tests. For the experimental measurement, a practice example is used, namely pulling bone screws from the bones (the femoral neck fracture) – biomechanics. Pull-out tests are especially important for research on the behaviour of implants in medicine. For experimental measurement, the author’s own product for mounting screws in the TESTOMETRIC machine has been designed and made. Moreover, the bone screws have been slightly adapted to the needs of the experiment. In the first phase of testing, however, the bone bolts (screws) are pulled from a wooden sample (dry spruce), and in the next phase from a bovine bone cadaver (biomechanics). The data obtained from the experiments is then evaluated and compared.

Keywords

Pružný podklad, pružný podklad v tečném směru, nosník, ohyb, tah, SBRA, analytická metoda, MCD, MKP, experimentální měření, nelinearity, programování, teorie, biomechanika, vytrhávací testy, fyzikální modely.

Keywords

Elastic foundation, elastic foundation in the tangential direction, beam, bending, tensile stress, SBRA, analytical method, CDM, FEM, experimental measurement, nonlinearity, programming, theory, biomechanics, pull-out tests, physical models.

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 12. 5. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 31. 8. 2017
• Supervisor: Karel Frydrýšek
• Reader: Juraj Hub, Roland Jančo, Antonín Lokaj

VŠB - Technical University of Ostrava

Fakulta strojní

Doctoral programme / field:
Strojní inženýrství / Aplikovaná mechanika