- Project title: Finite element models for stability analysis of thin-walled composite beam-type structures
- Financiranje / Funded by: Hrvatska zaklada za znanost / Croatian Science Foundation
- Šifra projekta / Call identifier: IP-2024-05-6868
- Akronim / Acronim: STACOBEAM
- Trajanje / Duration: 16.12.2024. – 15.12.2027.
- Voditelj projekta / Principal investigator: prof. dr. sc. Goran Turkalj
- Članovi istraživačkog tima / Project members:
- prof. dr. sc. Domagoj Lanc
- izv. prof. dr. sc. Goranka Štimac Rončević
- v. asist. dr. sc. Damjan Banić
- v. asist. dr. sc. Sandra Kvaternik Simonetti
- asist. Raul Ivan Gašljević (HRZZ doktorand)
- Sažetak:
Suvremene kompozitne konstrukcija u pravilu sadrži vitke gredne konstrukcijske elemenate, u pravilu tankostjenog poprečnog presjeka, to je odziv tako težinski optimiziranih konstrukcija na djelovanje vanjskog opterećenja istovremeno mnogo složeniji, a posebno je izražena njihova povećana sklonost ka gubitku stabilnosti deformacijske forme i pojavi izvijanja. Pojava se nestabilnosti kod grednih nosača može manifestirati u obliku čiste fleksijske, čiste torzijske, torzijsko-fleksijske ili lateralno deformacijske forme. Svi navedeni oblici spadaju u tzv. globalne forme gubitka stabilnosti, odnosno izvijanja. Kod tankostjenih se grednih nosača može pojaviti i lokalna forma gubitka stabilnosti, pri kojem dolazi do značajnijeg lokalnog izobličavanja poprečnog presjeka jer početni oblik poprečnog presjeka postaje nestabilan, čime može doći do kolapsa prije pojave globalne forme nestabilnosti.
Nadalje, u posljednjim je dekadama značajno porastao interes istraživača za kompozitnim materijalima. Veliki potencijal laminatnih, FRP (fiber reinforced polymers) i FG (functionally graded) kompozita ima za posljedicu da ih se u inženjerskoj praksi, primarno u avionskoj industriji te u građevinskim aplikacijama, često koristi kao zamjena za konvencionalne materijale kad god je to moguće i financijski isplativo, primarno zbog njihove izdržljivosti i male težine te otpornosti na koroziju. Stoga je u optimalnom dizajnu konstrukcija potrebno posebnu pažnju posvetiti točnom određivanju graničnog stanja stabilnosti deformacijskih formi, odnosno čvrstoće na izvijanje.
Kako su analitičkih rješenja dostupna jedino u jednostavnijim slučajevima, potreba za numeričkim rješenjima javlja se u složenijim scenarijima. Kako bi što kvalitetnije odgovorili na te izazove, istraživači su uveli geometrijske nelinearne analize kompozitnih grednih struktura uzimajući u obzir efekte velikih rotacija, vitoperenja poprečnog presjeka i posmičnih deformacija, termičke efekte, kao i efekte interakcije savijanja i uvijanja koji se pojavljuju kod asimetričnih poprečnih presjeka zbog nepoklapanja glavnih osi savijanja i posmika ili, pak, kod nesimetričnih i nebalansiranih laminatnih kompozita.
Istraživanje koje će se provoditi unutar ovoga projekta bavit će daljni razvoj postojećih vlastitih konačnoelementnih algoritama za analizu stabilnosti tankostjenih grednih i okvirnih konstrukcija sastavljenih od laminatnih kompozita, balansiranih i nebalansiranih, te FG kompozita u režimima promjenjive temperature i vlažnosti. Numerički algoritmi temeljit će se na prostornom tankostjenom grednom konačnom element s 14 stupnjeva slobode gibanja. Kao mjera za opisivanje deformacije koristi se Green-Lagrangeov tenzor konačnih deformacije temeljen na nelinearnom polju pomaka kompozitnog tankostjenog poprečnog presjeka, a koje uključuje efekte velikih prostornih rotacija i vitoperenja. Za dobivanje ravnotežnih jednadžbi prostornog grednog konačnog elementa bit će primijenjen princip virtualnih radova i updated Lagrangian inkrementalna formulacija. Kod nelinearne analize stabilnosti koristiti će se inkrementalno-iterativne procedure rješavanja nelinearnog sustava algebarskih jednadžbi. Za provođenje force recovery procedure koristit će se transformacijska matrica temeljena na polutangencijalnim rotacijama, a koje su energijski spregnute s polutangencijalnim momentima i imaju svojstvo komutativnosti.
- Publikacije / Publications:
- Kvaternik Simonetti, S.; Lanc, D.; Turkalj, G.: Thermal stabilityanalysis of FG composite beam-type structures with open thin-walled cross-section considering temperature distributions, Composite Structures, 371, 2025, 119503, doi: 10.1016/j.compstruct.2025.119503.
- Štimac Rončević, G.; Skoblar, A.; Braut, S.; Žigulić, R.: Application of reciprocal condition number in vibration analysis, Journal of Sound and Vibration, 618, 2025, 119342, doi: 10.1016/j.jsv.2025.119342.
- Turkalj, G.; Banić, D.; Lanc, D.: A Finite Element Formulation for buckling Analysis of unbalanced laminated beam-type structures, in P. Iványi, J. Kruis, B.H.V. Topping, (Editors), Proceedings of the Eighteenth International Conference on Civil, Structural and Environmental Engineering Computing, Civil-Comp Press, Edinburgh, UK, Online volume: CCC 10, Paper 14.1, 2025, doi:10.4203/ccc.10.14.1.
- Kvaternik Simonetti, S.; Lanc, D.; Turkalj, G.: Thermal buckling analysis of FG porous thin-walled beam, in P. Iványi, J. Kruis, B.H.V. Topping, (Editors), Proceedings of the Eighteenth International Conference on Civil, Structural and Environmental Engineering Computing, Civil-Comp Press, Edinburgh, UK, Online volume: CCC 10, Paper 14.1, 2025, doi:10.4203/ccc.10.14.1.
- Štimac Rončević, G.; Skoblar, A.; Braut, S.; Žigulić, R.; Turkalj, G.: Regression-based machine learning for predicting natural frequencies of thin beams supported by translational springs, 11th International Congress of Croatian Society of Mechanics: Book of Abstracts, Čanađija, M.; Škec, L. (Eds.). Zagreb: Croatian Society of Mechanics, 2025. pp. 179-180.
- Kvaternik Simonetti, S.; Lanc, D.; Turkalj, G.; Banić, D.: Buckling analysis of FG porous thin-walled beams under thermo-mechanical load, 10th International Conference on Mechanics of Composites: Book Of Abstracts, António Joaquim Mendes Ferreira (Ed.), Porto, Portugal, 2025.