Fenomén cyklického tečení a jeho predikce pomocí MKP

Josef Sedlák

Doctoral thesis

Cyclic Creep Phenomenon and its Prediction by FEM

Abstract:

Disertační práce je zaměřena komplexně na predikci cyklického tečení, neboli ratchetingu. Nejprve je popsán přehled současného stavu řešené problematiky, který je rozdělen do dvou sekcí. První sekce se věnuje popisu experimentálních poznatků a druhá sekce je věnována popisu modelování cyklické plasticity se zaměřením na výzkum ratchetingu. Obě tyto sekce jsou navzájem velmi provázány, neboť kvalita predikce pomocí moderních výpočtových metod je úzce spjata se správným popisem napěťově - deformačního chování daného konstrukčního materiálu. K tomuto účelu je potřeba provést řadu experimentálních zkoušek. Je tedy nutné získat věrohodná experimentální data, která se co nejvíce blíží napěťovým stavem finální aplikaci. Vlastní text disertační práce je zaměřen v první části na ukázku predikčních schopností, a dále vlastnostem vybraných modelů plasticity dostupných v komerčním konečnoprvkovém software ANSYS, který je na pracovišti Katedry aplikované mechaniky k dispozici. V této sekci jsou ukázány možnosti identifikace materiálových parametrů pomocí analytické, numerické metody a v poslední řadě pomocí inverzního algoritmu s využitím například experimentálních dat získaných z indentační zkoušky, která je poměrně rychlá a nízkonákladová. Druhá sekce ukazuje nové výsledky experimentů zaměřených zejména na výzkum napěťově - deformačního chování při zatížení s postupně proměnnou amplitudou. Byly studovány efekty cyklického zpevňování, přídavné zpevnění v důsledku neproporcionálního zpevnění a ratchetingu při jednoosém i multiaxiálním namáhání. Zde byl pro simulace použit model plasticity AbdelKarim-Ohno s kinematickým pravidlem zpevnění navíc modifikovaný Marquisovým vztahem. Poslední třetí sekce je věnována novému přístupu pro vyhodnocení nízkocyklových únavových testů s využitím metody digitální korelace obrazu, která umožňuje měřit deformaci na zakřiveném povrchu vzorku. Získá se tak více informací o chování zkoušeného materiálu vystaveného cyklickému namáhání z jediného testu, což má smysl zejména pro výzkum napěťově - deformačního chování. Přínos pro výzkum ratchetingu je prezentován na případě tahu - tlaku a čistém krutu s nenulovou statickou složkou.

Abstract:

The dissertation thesis complexly focuses on the prediction of cyclic creep, or ratcheting. Firstly, an overview of the state-of-the-art is described, which is divided into two sections. The first section deals with a description of experimental findings and the second section deals with a description of cyclic plasticity modelling focused on the research of ratcheting. Both sections are interconnected as the prediction quality using modern computing methods is closely related with a correct description of stress-strain behaviour of the given construction material. A series of experimental tests is necessary for those purposes. It is important to acquire reliable experimental data whose stress condition is as close as possible to the final application. In the first part, the dissertation thesis text itself is focused on a demonstration of prediction abilities and characteristics of selected plasticity models available in commercial FEM software ANSYS, which is available at the workplace of the Department of Applied Mechanics. This section presents the possibilities of identifying material parameters using an analytical, numerical method as well as using an inverse algorithm by means of experimental data acquired from an indentation test, which is quite fast and low-cost. The second part presents new results of experiments primarily focused on the research of stress-strain behaviour under load with a gradually changing amplitude. Research on effects of cyclic hardening, additional hardening due to nonlinear hardening, and ratcheting at single-axial and multi-axial strain have been carried out. The simulations used the AbdelKarim-Ohno plasticity model with a kinematic hardening rule, additionally modified with the Marquis relation. The third part is focused on a new approach to the evaluation of low-cycle fatigue tests using the method of digital correlation of image, which enables to measure the deformation on a curved sample surface. It brings more information on the behaviour of the tested material exposed to cyclic strain from one test, which primarily makes sense for the research of strain-stress behaviour. The contribution for the research of ratcheting is presented on a case of traction-pressure and a pure torsion with a non-zero static component.

Keywords

MKP, DICM, cyklické tečení, ratcheting, nízkocyklová únava

Keywords

FEM, DICM, Cyclic creep, Ratcheting, Low-cycle fatigue tests.

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 31. 8. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 17. 10. 2017
• Supervisor: Radim Halama
• Reader: Roland Jančo, Miroslav Španiel, Jindřich Petruška

VŠB - Technical University of Ostrava

Fakulta strojní

Doctoral programme / field:
Strojní inženýrství / Aplikovaná mechanika