Hybridní metody pro měření zbytkových napětí

Luboš Pečenka

Doctoral thesis

Hybrid Methods for Measuring Residual Stresses

Abstract:

Disertační práce je zaměřena na stanovení zbytkové napjatosti s využitím nových hybridních metod mechaniky. V teoretické části se uvádí obecné poznatky, týkající se zbytkového napětí, na které navazuje přehled současného stavu řešené problematiky se zaměřením na metodu kontur, indentační a tenzometrickou odvrtávací metodu. Zvláštní pozornost je také soustředěna na optické metody. V první sekci je popsána nová metodika vyhodnocování zbytkových napětí při odvrtávání kruhového otvoru. Princip spočívá v numerické simulaci postupného úběru materiálu a aplikaci vhodného zatížení na vnitřní plochu vzniklého otvoru. Na základě experimentálních dat lze opakovanými výpočty inverzního algoritmu stanovit velikost a směr hlavních residuálních napětí. Dosažené výsledky jsou porovnány s vyhodnocením dle předepsané normy ASTM E837-08. Podstatná část práce se také věnuje posouzením vhodnosti optické metody ESPI (Electronic Speckle Pattern Interferometry) se snímačem Q-100 pro tuto problematiku. Další sekce disertační práce se zabývá indentační zkouškou z pohledu řešení zbytkové napjatosti. Snahou bylo ověřit teoretické poznatky pomocí numerické analýzy metodou konečných prvků. Z hlediska detailnější studie byl vykonán experiment na vyžíhaném vzorku a na vzorku, kde se předpokládá zbytková napjatost, přičemž oba jsou vyrobeny ze stejného materiálu. Za těchto předpokladů lze s využitím inverzního přístupu naladit výpočtový model dostatečně přesně. Následné numerické modelování, s uvažováním zbytkové napjatosti při simulaci indentační zkoušky, poukázalo na nové souvislosti mezi zkoumanými veličinami, které mohou být námětem pro pokračující výzkum. Poslední sekce je věnována metodě kontur. Tato méně známá progresivní destruktivní metoda umožňuje vyšetřovat zbytková napětí v celé ploše provedeného řezu. Výzkum byl zaměřen zejména na realizovaný experiment a následnou analýzu metodou konečných prvků. V širším spektru zkoumání byla řešena problematika vhodné technologie rozřezání vzorku, techniky snímání deplanace povrchu, zpracování dat z měření a okrajových podmínek v numerické simulaci.

Abstract:

The aim of this dissertation thesis is to determine residual stress using new hybrid methods in mechanics. The theoretical part is focused on the general knowledge related to residual stress followed by the current state of the problems focused on the contour method, the indentation method and the hole-drilling strain-gage method. Special attention is also focused on optical methods. In the first section, a new methodology that evaluates residual stress using the hole-drilling method is described. Its principle lies in the numerical simulation of the gradual material removal and appropriate traction application on the inner surface of the created hole. Based on the experimental data, the values and the directions of the principal residual stresses can be determined using the repeated inverse algorithm calculation. The achieved results are compared with results gained using the ASTM E837-08 standard. A substantial part of the thesis deals with the suitability judgement of the ESPI (Electronic Speckle Pattern Interferometry) optical method with the sensor Q-100 for this issue. Another section deals with the indentation test regarding the residual stress solution. Effort was spent to verify the theoretical observations using a numerical approach by means of FEM. For the detailed study, the experiment was performed using the annealed specimen and the other specimen, where residual stress had been expected. In both cases, specimens are made from the same material. Considering these assumptions, the computational model can be set correctly enough using the inverse approach. Considering residual stress during the indentation test simulation, the subsequent numerical modelling showed new consequences between examined quantities, which could be a topic for further development. The final section is devoted to the contour method. This lesser known progressive destructive method destructive method enables the investigation of the residual stress on the whole area of the cut. The research was mainly focused on the performed experiment and subsequent finite element analysis (FEA). In the broader spectrum of investigation, the issue of the appropriate cutting technique, the technique of capturing surface deplanation, processing measurement data and the boundary conditions in numerical simulation were solved.

Keywords

Zbytková napjatost, hybridní metody, tenzometrická odvrtávací metoda, indentační zkouška, metoda kontur, optická elektronická skvrnová interferometrická metoda (ESPI), metoda konečných prvků (MKP), inverzní přístup, Chabocheův kinematický nelineární model zpevnění, cyklické tečení

Keywords

Residual Stress, Hybrid Methods, Hole-Drilling Strain-Gage Method, Indentation Test, Contour Method, Optical Electronic Speckle Pattern Interferometry method (ESPI), Finite Element Method (FEM), Inverse Approach, Chaboche Nonlinear Kinematic Hardening Model, Ratcheting

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 20. 12. 2018

Thesis defence

• Date of defence: 28. 2. 2019
• Supervisor: Radim Halama
• Reader: Roland Jančo, Zdeněk Folta, Milan Vaško

VŠB - Technical University of Ostrava

Fakulta strojní

Doctoral programme / field:
Strojní inženýrství / Aplikovaná mechanika