Aplikace metody ESPI pro experimentální analýzu rámu vozidla na bázi kompozit-kov

Lukáš Horňáček

Doctoral thesis

Application of ESPI Method for Experimental Analysis of Vehicle Frame on Basis of Composite-Metal

Abstract:

Disertační práce se zabývá problematikou ověření metody ESPI pro experimentální stanovení přetvoření a napětí, stanovení tuhosti aditivně vyrobených vzorků při mechanickém zkoušení s využitím optických metod, návrhu výpočtové metodiky MKP v souladu s provedenými experimenty a aplikování získaných zkušeností při návrhu součásti, cíleně vyrobené aditivně z kompozitu a připevněné k rámu vozidla. V práci je provedena verifikace metody ESPI měřením hodnot tahové a smykové poměrné deformace kovového vzorku zatíženého tahem a dále krutem za pomoci extenzometru na biaxiálním zatěžovacím stroji. Dále byla metoda ESPI aplikována na svarový spoj pro ověření vhodnosti metody a zařízení Q-100 na složitější geometrii. Získané výsledky jsou porovnány se skutečnou polohou trhliny na zatěžované součásti. Zkušeností je využito při aplikaci metody ESPI na restaurovaný brzdový pedál motocyklu vyrobený 3D tiskem z kovového prášku. Výsledky z metody ESPI jsou porovnány s výsledky z numerické simulace MKP. Dále práce ověřuje metodiku tvorby MKP modelu vytištěných kompozitů za použití tyčových/nosníkových prvků. Následně bylo provedeno kvalitativní porovnání jednotlivých výsledků numerických simulací MKP a měření metodami ESPI/DIC. Dále byly porovnány výsledky tuhostí pro zkoušky každého módu zatížení - tah, smyk a kombinace tahu a smyku. Nakonec se práce zaměřuje na aplikaci získaných zkušeností na součást vozu připevněnou k rámu vozidla. Výsledky tuhostí, pro případy v tahu, v ohybu a v krutu, vytištěného dílu a původního dílu získané z univerzálního zkušebního stroje jsou porovnány.

Abstract:

The thesis deals with the verification of the ESPI method for experimental determination of deformation and stress, determination of stiffness of additively manufactured specimens in mechanical testing using optical methods, design of FEM calculation methodology in accordance with performed experiments and application of gained experience in component design, purposefully manufactured additively from composite and attached to the vehicle frame. The verification of the ESPI method is performed by measuring the values of tensile and shear strain of a metal sample loaded by tension and torsion using an extensometer on a biaxial loading machine. Furthermore, the ESPI method was applied to the weld to verify the suitability of the Q-100 method and equipment for more complex geometries. The obtained results are compared with the actual position of the crack on the loaded parts. The experience is used in the application of the ESPI method on a restored brake pedal of a motorcycle made of 3D printing from metal powder. The results from the ESPI method are compared with the results from the numerical simulation of FEM. Furthermore, the work verifies the methodology the FEM model of printed composites using link/beam elements. A qualitative comparison of individual results of numerical FEM simulations and measurements by ESPI/DIC methods was performed. The stiffness results for the tests of each load mode - tension, shear and combinations of tension and shear - were compared. Finally, the work focuses on the application of gained experience to a car part attached to the vehicle frame.

Keywords

3D tisk, kompozit, ESPI, DIC, MKP

Keywords

3D printing, composite, ESPI, DIC, FEM

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 28. 2. 2022

Thesis defence

• Date of defence: 1. 7. 2022
• Supervisor: Radim Halama
• Reader: František Šebek, Ladislav Kovář, Roland Jančo

VSB – Technical University of Ostrava

Fakulta strojní

Doctoral programme / field:
Strojní inženýrství / Aplikovaná mechanika