HAŠA, J. Návrh a vývoj zařízení pro dynamické zkoušky materiálů s využitím rázového tlaku vzduchu [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2025.

Posudek vedoucího

Jopek, Miroslav

Hodnocená diplomová práce Bc. Jakuba Haši je skutečně výjimečná a svou odbornou úrovní, komplexností a mírou inovace jednoznačně přesahuje rámec běžné diplomové práce. Svým zaměřením a hloubkou řešení by bezesporu obstála i jako disertační práce. Student se v práci zabývá návrhem a vývojem pneumatického zařízení – tzv. pneumatického kanónu – určeného pro simulaci rázového zatížení materiálů při vysokých rychlostech deformace. Práce se opírá o hlubokou analýzu aktuálního stavu poznání v oblasti dynamických testů a identifikuje klíčové problémy, které s těmito zkouškami souvisejí. Zásadním přínosem je multidisciplinární pojetí úkolu, které autor zvládl na výbornou. Návrh a realizace zahrnovaly nejen konstrukci mechanických částí, ale také řešení pneumatického systému, návrh a implementaci elektrických prvků a zejména programování řídicího systému Siemens, který zajišťuje bezpečný, přesný a opakovatelný provoz celého zařízení. Výsledné zařízení bylo sestrojeno, úspěšně oživeno a experimentálně ověřeno. Práce navíc zahrnuje návrh a zpracování experimentů s využitím vysokorychlostního měření a jejich následné vyhodnocení. Po formální, odborné i experimentální stránce jde o excelentní práci s vysokou přidanou hodnotou. Výsledky mají významný aplikační potenciál pro další výzkum v oblasti dynamického testování materiálů. Spolupráci s autorem hodnotím jako vynikající – byl samostatný, technicky zdatný a během celého procesu velmi aktivní a pečlivý.

Posudek oponenta

Forejt, Milan

    Diplomová práce Bc. Jakuba Haši je zaměřena na dynamické zkoušky materiálů s vysokými rychlostmi deformace s využitím rázu stlačeného vzduchu. Jde o obtížné zadání, jehož komplexním cílem je mj. navrhnout, sestrojit a otestovat speciální zařízení s dynamickým prouděním vzduchu v podobě pneumatického kanónu. Při řešení bylo celkem využito 54 různých zdrojů. Předmětná diplomová práce má 63 stran textu a 3 přílohy.      Už v rozboru předmětného zadání diplomant mj. zdůrazňuje, že jde o vytvoření potřebné, ekonomicky vyhovující alternativy zkušebního dynamického zařízení k ověřování vlivu rychlostního zatěžování na tvorbu materiálových modelů potřebných k simulacím extrémních podmínek rázových zatížení obvykle v rozsahu rychlostí deformace 102 až 104 s-1.      V kap. 2. výstižně popisuje principy a možnosti současných metod používaných dynamických zkoušek včetně explozivních a nedestruktivních alternativ. V jejich zhodnocení pak zdůrazňuje, že u navrhovaného zařízení bude generován impulz výhradně proudem stlačeného vzduchu. Nižší silové působení předesílá použití při testování poddajnějších materiálů s dostatečnou odezvou.      V kap. 3 pojednává o vývoji akustického děla, pro které je tlak vzduchu hlavním faktorem určujícím intenzitu generovaného impulzu. Ke konstrukci využívá modulární rám z hliníkových profilů. Pneumatickou soustavu řeší z požadavku na dosažení kritické rychlosti proudění. Dvouvětvový okruh         s elektromag. ventily a kanóny s přímým výstupem. Řízení pomocí kompaktního PLC systému umožňuje jednoduché intuitivní ovládání. Celý systém je navrhován s dostupných komponent umožňující i potřebné revize, s ohledem na minimalizaci tlakových ztrát a případně i možnost dalšího rozšíření a vývoje. Kritická rychlost subsonického proudění vzduchu byla stanovena na hranici rychlosti zvuku. Nicméně při rychlosti zvuku už vznikají rázové vlny.      V konstrukci rámu a v rozložení hmotností je zohledněn i požadavek na stabilitu a zabránění převrácení při aktivních pulzech. Pneumatické kanóny jsou řešeny ve třech variantách průměrů, viz obr.14 ( 40, 80 a 120 mm. Úbytek tlaku při turbulentním proudění je přímo úměrný dynamickému tlaku a součinitelem odporu a je určen rovnicí (3.3).      V kap. 3. 4 je podrobně popsáno intuitivní řízení pneumatického systému s řídící logikou k zajištění přesného načasování otevření ventilů. Elektrické řešení odpovídá standardní rozvaděčové praxi s požadavkem na budoucí revizi.     K ověření funkce navrženého zařízení v kap. 4 byly použity tři navzájem nezávislé přístupy analytický výpočet, numerická simulace proudění a praktické měření. Společným parametrem všech tří ověření je rychlost proudění v definovaném bodě, která definuje dynamický tlak. Očekávané vysoké podzvukové rychlosti vzduchu uvedené v Tab. 2., nepočítají, jak správně uvádí autor, se ztrátami v turbulentním proudění.     V kap. 5 je popisována simulace proudění stlačitelného vzduchu s vysokými rychlostmi a gradienty v prostředí CFD pomocí turbulentního modelu SST k -omega software Ansys Fluent, který je schopen tyto jevy a dokonce i případné rázové vlny zachytit.    Ze změřené odporové síly pak zpětně, z dynamického tlaku, určuje očekávanou rychlost proudění 164,7 ms-1 v místě měření, která je sice nižší než analytická 201,9 ms-1, vypočtená při zanedbání ztrát.    Vlastní konstrukce akustického děla je podrobně popsána v kap. 6 a mj. řeší i rozvod stlačeného vzduchu s potřebnými ventily a třemi pneumatickými kanóny, jejichž parametry uvádí tab. 4. Komplexní řešení je doplněno řídícím rozvaděčem k zajištění automatizace a logického řízení celého zařízení pomocí operátorského uzlu. Celý řídicí systém zařízení je založen na programovatelném automatu Siemens LOGO!.      Měřící sestava je složena z piezoelektrického dynamometru Kistler 9105 nábojového zesilovače Kistler 5018 a digitálního osciloskopu Tektronix TDS 210.     Výsledkem testování dynamické rychlosti a jejího výpočtu z výrazu pro aerodynamický odpor je 30,99ms-1, jak dokládá Tab. 7, značná odchylka. Rozdíl mezi výsledky z experimentu a výpočtových metod autor přikládá: -výraznému skokovému snížení tlaku v rozvodové soustavě v okamžiku otevření ventilu, -analytický model zanedbává turbulentní vlastnosti proudění, -viskózní ztráty a interakci proudu se stěnami a okolní geometrií, -zjednodušený model v CFD simulaci.     V dalším diplomant provedl úspěšná měření odezvy materiálu na rázové buzení.Pro úspěšné ověření rychlosti proudění diplomant navrhuje i několik opatření, z nichž např. je: -využití Pitotovy trubice, -tlakové nádoby pro stabilizaci zásoby vzduchu a -využití rychlejší varianty ventilu s potřebným průtokem.      Výsledky potvrzují, že navržený systém akustického děla je vhodný pro laboratorní aplikace v oblasti dynamického testování s možnostmi dalších úprav a rozšíření.      Diplomová práce Bc. Jakuba Háši řeší velký komplex úkolů spojených       s návrhem, stavbou a s ověřením tzv. akustického děla. Je vypracována na vysoké mezioborové odborné a formální úrovni, přináší nové výsledky v oblasti dynamických zkoušek chování nekonvenčních materiálů. Práce splňuje požadavky kladené na diplomovou práci, je nadčasová a osahuje i prvky vědeckého bádání. Doporučuji tuto mimořádnou diplomovou práci k obhajobě před státní zkušební komisí.

eVSKP id 166213