The presented diploma thesis deals with a problem of a generalized stress intensity factor determination and a consecutive study of stress distribution around the bimaterial notch tip, combining analytical and numerical methods. This task is possible to sectionalize into three parts. The first part is dedicated to the fundamentals of the linear fracture mechanics and the mechanics of composite materials. The second part deals with methods of anisotropic plane elasticity solution. Pursuant to the solution the computational models in the third part are created. The first model makes for determination of a singularity exponent eigenvalue by dint of Lekhnitskii-Eshelby-Stroh formalism. The second model makes for determination of the generalized stress intensity factor using psi-integral method, which is based on the Betti reciprocal theorem. All needed calculation are performed in the software ANSYS 12, Maple 12 and Silverforst FTN95. Results will be compared with the values obtained from a direct method of the generalised stress intensity factor determination.

V současnosti jedna z metod spojování zejména tlustých a vysoce zatížených kompozitních komponent je šroubový spoj, který je možné rozebrat pro případ opravy na rozdíl od lepeného spoje. Kompozitní konstrukce se tradičně dimenzují tak, aby během provozu nedošlo k porušení první vrstvy laminátu, nicméně důležité je taky poznat chování laminátu po porušení první vrstvy. Pro strukturální analýzu nejenom spojů, ale také dalších komponent se používá metoda konečných prvků a protože moderní nelineání řešiče jsou schopné modelovat chování laminátu po porušení první vrstvy, tato schopnost jednoho z nich byla využita v této práci při zkoumaní chování sklolaminátu spojeného s hliníkovou částí šrouby. Konečno-prvkové modely dvou spojů kovové a kompozitní části konstrukce schopné popsat progresivní porušování laminátu byly postaveny s využitím tří různých poruchových kritérií – kritéria maximálního napětí, kritéria Hill a kritéria Tsai-Wu. Problém byl řešen s využitím řešiče Nastran. Křivky síla-posuv, tuhost-posuv a hodnoty zatížení při hraničním posuvu byly porov-nány s výsledky experimentů. Jelikož faktor zbytkové tuhosti ovlivňuje výsledky ana-lýzy progresivního porušování, byly provedeny citlivostní studie zkoumajíci vliv faktoru na přesnost a stabilitu výpočtu. Shoda výpočtu s experimentem v případe prvního šroubového spoje je méně uspokojivá, nicméně shoda v případě druhého spoje, který má zesilující tenkou ocelovou destičku na spodní straně, je podstatně lepší. Vý-borná shoda je zejména při použití interaktivních kritérií Hill a Tsai-Wu.

- Allgemeine Problematik bei der FEM-Simulation von Lagern/Gelenken - Modellierungstechniken in MECHANICA wie z.B. Kontakt-Analysen, Balkenspinnen, gewichtete Verbindungen, orthotropes Material, etc. - Vergleich dieser Techniken und Diskussion der Vor- und Nachteile anhand eines Gleitlagers - Empfehlungen und Regeln

The diploma thesis is focused on the design of a new steel structure of a single-track railway bridge with bottom bridge deck. The solved bridge construction is located on line No. 123 between Nemšová and Trenčianska Teplá at the point, where the line crosses over the river Váh. The existing bridge on the line has a span of 50 + 50 + 50 + 50 m. The assignment was processed in five variants of a steel bridge structure with a bottom orthotropic deck. Each variant has a different static system, a different number of fields and a different type of superstructure. The comparison of variants was performed using multicriterial evaluation based on selected criteria. The most suitable variant was elaborated in more detail. The calculations were performed according to valid ČSN EN standards.

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L'objectif principal visé par cette thèse est de modéliser les poutres gonflables en textiles techniques orthotropes. Les approches statiques font l'objet de ce rapport. Avant d'aborder ce problème, nous avons été amenés à identifier tous les paramètres qui ont un effet direct sur les propriétés mécaniques effectives de ces composites. Ainsi, nous avons développé un modèle micro mécanique de prédiction de ces propriétés mécaniques. Le modèle proposé est basé sur l’analyse d'un volume élémentaire représentatif (VER) prenant en compte non seulement les propriétés mécaniques et la. fraction de volume de chaque phase dans le VER mais également leur géométrie et leur architecture. Chaque fil dans le VER a été modélisé comme un matériau isotrope transverse (contenant les fibres et la résine). La méthode dite d’assemblage de cylindres a été utilisée pour l’homogénéisation au niveau des fils. Une deuxième homogénéisation est ensuite réalisée. Elle prend en compte la fraction de volume de chaque constituant (fils de chaîne, fils de trame et résine non prise en compte dans les fils). Le modèle a été validé par des résultats expérimentaux existant dans la littérature. Une élude paramétrique a été menée afin d'étudier les effets des divers paramètres géométriques et mécaniques sur ces propriétés mécaniques. Dans l'analyse structurale, un modèle poutre gonflable 3D de Timoshenko en tissu orthotrope a été proposé. Il prend en compte les non-linéarités géométriques et l'effet de la force suiveuse générée par la pression de gonflage. Les équations d'équilibre non-linéaires dérivent du principe des travaux virtuels en configuration lagrangienne totale. Dans une première approche, une linéarisation a été faite autour de la configuration de référence précontrainte pour obtenir les équations adaptées aux problèmes linéaires. A titre d'exemple, le problème de flexion plane a été abordé. Quatre cas de conditions aux limites ont été traités et les résultats obtenus améliorent les modèles existants dans le cas de tissu isotrope. Les charges de plissage ont été également proposées dans chaque cas traité. Dans une deuxième approche, les équations non-linéaires ont été discrétisées par la méthode des éléments finis. Deux types de solutions ont été alors proposées : les solutions aux problèmes éléments finis linéaires obtenues par une linéarisation des équations discrétisées autour de la configuration de référence précontrainte et les solutions aux problèmes éléments finis non-linéaires réalisées en adoptant une méthode Quasi-Newton sous sa forme incrémentale. A titre d’exemple, la flexion d’une poutre encastrée-libre a été étudiée et les résultats améliorent les modèles théoriques. Le modèle éléments finis non-linéaire a été comparé favorablement à un modèle éléments finis coque mince 3D. Une étude paramétrique a été ensuite effectuée. Elle a porté sur l'influence des propriétés mécaniques et sur de la pression de gonflage sur la réponse de la poutre. Les solutions éléments finis linéaires se sont avérées proches des résultats théoriques linéarisés d'une part et les résultats du modèle éléments finis non-linéaire se sont avérés proches des résultats du modèle linéaire dans le cas des propriétés mécaniques élevées alors que le modèle éléments finis non-linéaire est indispensable pour modéliser ces poutres lorsque les propriétés mécaniques du tissu sont faibles / The main objective of this thesis was to model inflatable beams made frorn orthotropic woven fabric composites. The static aspects were investigated in this report. Before planning to develop these models, it was necessary to know all the parameters which have a direct effect on the effective mechanical properties these composites. Thus, a micro­ mechanical model was performed for predicting the effective mechanical properties. The proposed model was based on the analysis of the representative volume element (RVE). The model took into account not only the mechanical properties and volume fraction of each components in the RVE but also their geometry and architecture. Each yarn in the RVE was modelled as a transversely isotropic material (containing fibres and resin) using the concentric cylinders model (CCIVI). A second volumetric averaging which took into account the volume fraction of each constituent (warp yarn, weft yarn and resin), was performed. The model was validated favorably against experimental available data. A parametric study was conducted in order to investigate the effects of various geometrical and mechanical parameters on the elastic properties of these composites. ln the structural analysis, a 3D Timoshenko airbeam with a homogeneous orthotropic woven fabric (OWF) was addressed. The model took into account the geometrical nonlinearities and the inflation pressure follower force effect. The analytical equilibrium equations were performed using the total Lagrangian form of the virtual work principle. As these equations were nonlinear, in a first approach, a linearization was performed at the prestressed reference configuration to obtain the equations devoted to linearized problems. As example, the bending problem was investigated. Four cases of boundary conditions were treated and the deflections and rotations results improved the existing models in the case of isotropic fabric. The wrinkling load in every case was also proposed. In a second approach, the nonlinear equilibrium equations of the 3DTimoshenko airbeam were discretized by the finite element method. Two finite element solutions were then investigated : finite element solutions for linearized problems which were obtained by the means of the linearization around the prestressed reference configuration of the nonlinear equations and nonlinear finite element solutions which were performed by the use of an optimization algorithm based on the Qua.si-Newton method. As an example, the bending problem of a cantilever inflated beam under concentrated load was considered and the deflection results improve the theoretical models. As these beams are made from fabric, the beam models were validated through their comparison with a 3D thin-shell finite element model. The influence of the material effective properties and the inflation pressure on the beam response was also investigated through a parametric study. The finite element solutions for linearized problems were found to be close to the theoretical linearized results. On the other hand, the results for the nonlinear finite element model were shown to be close to the results for the linearized finite element model in the case of high mechanical properties and the non linear finite element model was used to improve the linearized model when the mechanical properties of the fabric are low

This diploma thesis focuses on the design of roof slab in two options. Internal forces are calculated by software rfem. The thesis also includes design of column, manual calculation and comparision with finite element method and drawings.

L’objectif de ce travail est de développer des outils numériques utilisables dans la détermination de manière exacte des propriétés modales des structures sandwichs viscoélastiques composites au vue de la conception des structures sandwichs viscoélastiques légères mais à haut pouvoir amortissant. Pour cela nous avons tout d’abord développé un outil générique implémenté en Matlab pour la détermination des propriétés modales en vibration libre des plaques sandwichs viscoélastiques dont les faces sont en stratifié de plusieurs couches orientées dans diverses directions. L’intérêt de cet outil, basé sur une formulation éléments finis, réside dans sa capacité à prendre en compte l’anisotropie des couches composites, la non linéarité matérielle de la couche viscoélastique traduit par diverses lois viscoélastiques dépendant de la fréquence ainsi que diverses conditions aux limites. La résolution du problème aux valeurs propres non linéaires complexes se fait par le couplage entre la technique d’homotopie, la méthode asymptotique numérique et la différentiation automatique. Ensuite pour permettre une étude continue des effets d’un paramètre de modélisation sur les propriétés modales des sandwichs viscoélastiques, nous avons proposé une méthode générique de résolution de problème résiduel non linéaire aux valeurs propres complexes possédant en plus de la dépendance en fréquence introduite par la couche viscoélastique du coeur, la dépendance du paramètre de modélisation qui décrit un intervalle d’étude bien spécifique. Cette résolution est basée sur la méthode asymptotique numérique, la différentiation automatique, la technique d’homotopie et la continuation et prend en compte diverses lois viscoélastiques. Nous proposons après cela, deux formulations distinctes pour étudier les effets, sur les propriétés amortissantes, de deux paramètres de modélisation qui sont importants dans la conception de sandwichs viscoélastiques à haut pouvoir amortissement. Le premier est l’orientation des fibres des composites dans la référence du sandwich et le second est l’épaisseur des couches qui lorsqu’elles sont bien définies permettent d’obtenir non seulement des structures sandwichs à haut pouvoir amortissant mais très légères. Les équations fortement non linéaires aux valeurs propres complexes obtenues dans ces formulations sont résolues par la nouvelle méthode de résolution d’équation résiduelle développée. Des comparaisons avec des résultats discrets sont faites ainsi que les temps de calcul pour montrer non seulement l’utilité de ces deux formulations mais également celle de la méthode de résolution d’équations résiduelles non linéaires aux valeurs propres complexes à double dépendance / Modeling and design of composite viscoelastic structures with high damping powerThe aim of this thesis is to develop numerical tools to determine accurately damping properties of composite sandwich structures for the design of lightweight viscoelastic sandwichs structures with high damping power. In a first step, we developed a generic tool implemented in Matlab for determining damping properties in free vibration of viscoelastic sandwich plates with laminate faces composed of multilayers. The advantage of this tool, which is based on a finite element formulation, is its ability to take into account the anisotropy of composite layers, the material non-linearity of the viscoelastic core induiced by the frequency-dependent viscoelastic laws and various boundary conditions . The nonlinear complex eigenvalues problem is solved by coupling homotopy technic, asymptotic numerical method and automatic differentiation. Then for the continuous study of a modeling parameter on damping properties of viscoelastic sandwichs, we proposed a generic method to solve the nonlinear residual complex eigenvalues problem which has in addition to the frequency dependence introduced by the viscoelastic core, a modeling parameter dependence that describes a very specific study interval. This resolution is based on asymptotic numerical method, automatic differentiation, homotopy technique and continuation technic and takes into account various viscoelastic laws. We propose after that, two separate formulations to study effects on the damping properties according to two modeling parameters which are important in the design of high viscoelastic sandwichs with high damping power. The first is laminate fibers orientation in the sandwich reference and the second is layers thickness which when they are well defined allow to obtain not only sandwich structures with high damping power but also very light. The highly nonlinear complex eigenvalues problems obtained in these formulations are solved by the new method of resolution of eigenvalue residual problem with two nonlinearity developed before. Comparisons with discrete results and computation time are made to show the usefulness of these two formulations and of the new method of solving nonlinear complex eigenvalues residual problem of two dependances

The aim of the master’s thesis was t odevelop alternative solutions supporting steel structure of the railway bridge on the undermined area. The range of single fields were chosen based on the location of existing substructures. Reducing the width of bridge openings were not allowed. Based on the geodetic survey plans were drawn up clear of the current state. On the basis of specifications for developing a detailed process was chosen variant Gerber’s beam reinforced with an arch in mean field. For this variant was performed structural analysis of the main parts of the main structure of the bridge, which was calculated with the effects of undermining. For variant Gerber’s beam were made clear drawings and drawing details of the selected steel bridge construction (new state). Further, detailed analysis of selected structural detail was made. Specifically, connecting rod to the main beam, which was designed optimal shape and thickness of the joints plate with a suitable radius of the firing to avoid plastification of the material in this area. Variant of the continuous beam without joints was prepared to. It has been observed, what is the effect of undermining on the stress in the construction of the bridge - was confronted with the effects on Gerber’s beam. To reduce stress in the construction of the bridge and compliance of ultimate state of applicability of the main beam has been designed bearing adjustment and after considering several options its implementation too. The economic comparison between the two variants was conducted. The assembling procedure was designed for both types of bridge structures. In the technical report we can read about due to the intention of building a new bridge and further we can find there other important technical information. In conclusion of the master’s thesis there has been recommended for the construction specific variant – from the perspective of an investor, and from the static aspect-view of the designer.