Podczas XIX Konferencji Użytkowników Abaqus ogłoszono wyniki tegorocznego konkursu na najlepszą pracę dyplomową, przygotowaną z wykorzystaniem oprogramowania Abaqus - "Dyplom z Abaqus 2012". W związku z dużą ilością nadesłanych prac oraz ich wysokim poziomem organizatorzy zdecydowali o przyznaniu w tym roku pierwszej nagrody oraz jednego wyróżnienia. Zwycięzcą konkursu został pan Kazimierz Józefiak, z Politechniki Warszawskiej, autor pracy: "Analiza MES Nawierzchni Podatnych i Półsztywnych z Uwzględnieniem Niesprężystych Właściwości Warstw Konstrukcyjnych". Promotorem pracy jest dr hab. inż. Artur Zbiciak.

Poniżej zamieszczamy krótki opis pracy:

Praca głównie traktuje o analizie za pomocą metody elementów skończonych nawierzchni drogowych z uwzględnieniem niesprężystych, reologicznych własności warstw z betonu asfaltowego. Dodatkowym poruszonym tematem jest wpływ modelowania poślizgu między warstwami nawierzchni na wyniki projektowania mechanistycznego konstrukcji nawierzchni.

Pierwsze dwa rozdziały stanowią wstęp teoretyczny. W rozdziale pierwszym opisano metody projektowania nawierzchni drogowych ze szczególnym uwzględnieniem projektowania mechanistycznego. Część druga zawiera ideę modelowania relacji konstytutywnych za pomocą schematów reologicznych. W tym rozdziale zostały wyprowadzone równania różniczkowe klasycznego lepkosprężystego modelu Burgera i sprężysto-lepkoplastycznego Binghama oraz zaproponowanego nowego modelu lepkosprężysto-lepkoplastycznego. W podrozdziale poświęconym strukturze Burgersa omówiono także ideę wyznaczania parametrów lepko-sprężystych na podstawie danych doświadczalnych.

Komercyjny program Abaqus został wykorzystany do implementacji różniczkowego opisu modeli Burgersa oraz lepkosprężysto-lepkoplastycznego do numerycznej procedury rozwiązywania zagadnień początkowo-brzegowych. Zostało to osiągnięte za pomocą, dostarczonej przez system Abaqus, procedury użytkownika o nazwie UMAT. Procedura ta współpracuje jedynie z modułem Abaqus/Standard (niejawny algorytm całkowania równań ruchu).

Rozdziały trzeci i czwarty prezentują wyniki numerycznych symulacji dwóch wspomnianych problemów. W części trzeciej opisana jest symulacja podatnej nawierzchni z warstwami z materiału liniowo sprężystego, w której uwzględniono możliwość poślizgu między tymi warstwami. Kontakt był modelowany za pomocą systemu Abaqus z użyciem różnych współczynników tarcia. Rezultaty analizy zostały wykorzystane do obliczenia trwałości zmęczeniowej konstrukcji nawierzchni drogowej z użyciem metod mechanistycznych. Wyniki te zostały porównane ze standardowym modelem MES używanym w metodach mechanistycznych (brak modelowania kontaktu między warstwami).

W rozdziale czwartym opisane są wyniki modelowania podatnej nawierzchni z użyciem zaimplementowanych wcześniej niesprężystych materiałów. Została wykonana symulacja odpowiedzi nawierzchni na przyłożone obciążenie harmoniczne. W symulacji tej beton asfaltowy modelowany był materiałem Burgersa. Amplituda obciążenia została przyjęta zgodnie z metodami mechanistycznymi. Druga analiza numeryczna obrazuje reakcje konstrukcji na obciążenie wyjątkowe (np. samolot lądujący awaryjnie na autostradzie). Jednakowo rozłożone obciążenie typu Heaviside’a zostało przyłożone do konstrukcji trzy razy pod rząd.

Ostatni rozdział pracy podsumowuje wyniki analiz i zawiera propozycje dalszych rozważań, które mogą być przeprowadzone z użyciem zaimplementowanych niesprężystych materiałów.

Zwycięzca otrzymał nagrodę w postaci nowoczesnego tabletu.

Wyróżnienie przyznano pani Krystynie Lenik z Wojskowej Akademii Technicznej za pracę dyplomową: „Modelowanie poziomych ruchów litosfery metodą elementów skończonych”. Promotorem wyróżnionej pracy jest dr inż. Janusz Bogusz.

Skorupa ziemska zbudowana z wielu bloków tektonicznych, poruszających się swobodnie po plastycznym płaszczu, jest bardzo dynamiczna. Bloki przemieszczają się kolidując ze sobą lub rozchodząc się, co prowadzi do gromadzenia się ogromnych naprężeń.

Celem pracy było stworzenie modelu metodą elementów skończonych deformacji litosfery na obszarze kontynentalnej części Płyty Euroazjatyckiej oraz poznanie pola naprężeń powstających w skorupie pod wpływem sił działających na kontynent generowanych przez ruch obocznych struktur. Największy nacisk na Europę występuje w rejonie Adriatyku, gdzie mniejsza płyta adriatycka wciskana jest w kontynent przez wielką płytę afrykańską. Podobnie generowanych jest ruch w rejonie Turcji. Widocznym objawem ruchu płyt jest wzmożona aktywność sejsmiczna na tym obszarze. Niewielki nacisk występuje również ze strony płyty atlantyckiej. Sztywny blok kratonu wschodnioeuropejskiego stanowi w modelu masę oporową.

Model wykonano w oprogramowaniu ABAQUS w preprocesorze graficznym CAE oraz obliczono w module ABAQUS/Standard. Model powstał w przestrzeni dwuwymiarowej na podstawie danych geologicznych. Do dyskretyzacji wykorzystane zostały elementy trójkątne o wymiarach zróżnicowanych w obrębie całego modelu, z punktu widzenia przewidywanych deformacji w poszczególnych regionach. Uwzględnia on podział na 48 mniejszych bloków odmiennych pod względem właściwości mechanicznych oraz najważniejsze strefy uskokowe, mogące mieć znaczący wpływ na rozkład naprężeń. Jako materiał symulujący zachowanie skorupy ziemskiej wykorzystano ten o właściwościach sprężystych. Dzięki zróżnicowaniu wartości modułu Young’a dopasowano sztywności do rzeczywiście występujących, a także zasymulowano miąższość skorupy w poszczególnych regionach. Do zamodelowania nacisku sąsiednich bloków litosfery wykorzystano ciśnienie oraz naprężenia ścinające.

Na podstawie danych geologicznych oraz przeprowadzanych już analiz metodą elementów skończonych można stwierdzić, że otrzymane kierunki i wartości naprężeń i deformacji litosfery zbliżone są do znanych z literatury. Do porównania otrzymanych wyników wykorzystano m.in. dane na temat występowania trzęsień Ziemi z Europejskiego Centrum Sejsmologicznego (EMSC) (trzęsienia Ziemi jako efekt rozładowywania naprężeń zgromadzonych w skorupie ziemskiej), a także deformacje obliczone z pola prędkości poziomych na terenie Polski z obserwacji satelitarnych.

Analiza wyników modelowania wykazała ponadto, że zastosowany program ABAQUS można wykorzystywać w tego typu zadaniach. Ograniczenia z punktu widzenia przeznaczenia programu tylko w niewielkim stopniu utrudniły przygotowanie modelu. Było to głównie związane z gabarytami analizowanego obszaru, co powinno zobowiązywać do uwzględniania kulistości Ziemi. Projekcja fragmentu litosfery w płaskim układzie współrzędnych w przypadku rozważań geodynamicznych nie wprowadza jednak znaczących błędów.

Stworzony model jest częścią projektu i wstępem do prowadzenia dalszych, bardziej szczegółowych badań na tym polu. Zmiany parametrów mechanicznych modelowanych struktur tektonicznych w kierunku właściwości lepkich i lepko-sprężystych pozwoliłyby na uzyskanie danych nowej jakości. W rezultacie wyniki takich analiz mogą być bezpośrednio porównywane z danymi pochodzącymi z innych źródeł, takich jak pole prędkości i deformacje wyliczone z pomiarów permanentnych GNSS. W ten sposób możliwe będzie określenie możliwości wykorzystania takich danych do badania długoterminowych zmian współrzędnych stacji permanentnych (EPN i ASG-EUPOS) pod kątem ruchów bloków litosferycznych.

Serdecznie gratulujemy laureatom jak również dziękujemy wszystkim osobom, które wzięły udział w konkursie.