Výpočtové modelování a analýza šíření trhlin v keramických kompozitech obsahující residuální napětí
Loading...
Date
Authors
Černý, Hynek
ORCID
Advisor
Referee
Mark
A
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Diplomová práce se zabývá 3D výpočtovým modelováním šíření trhlin v částicových a vrstevnatých keramických kompozitech. Nejdříve byly prozkoumány všechny dostupné nástroje lomové mechaniky v softwaru ANSYS a jejich vhodnost pro řešení zadaného tématu. V další části byl analyzován průchod trhliny částicovými kompozity, kde byl kladen důraz na vliv odlišné tuhosti a teplotní roztažnosti všech složek kompozitu. Nejdříve byl průchod trhliny odladěn na modelu homogenního materiálu, následně byl přidán vliv odlišné tuhosti složek kompozitu a v poslední fázi byl přidán i vliv zbytkové napjatosti. Z dosažených výsledků bylo možné popsat vliv dříve vyjmenovaných faktorů na energii potřebnou pro šíření trhlin. Tento vytvořený model by měl být aplikovatelný na i na model reálného kompozitu, díky čemuž by mělo být možné kvantifikovat, jestli je kompozit z hlediska šíření trhlin odolnější než homogenní materiál. V poslední části práce byl analyzován průchod trhliny vrstevnatými keramickými lamináty, kde byl opět kladen důraz na rozdílné tuhosti a teplotní roztažnosti všech složek laminátu. V této části bylo využito velké výhody programu ANSYS Mechanical APDL, a to možnosti skriptování. Pomocí vytvořených maker byl vytvořen parametrický model, který byl po zadání vstupních údajů schopný sám vytvořit geometrii výpočtového modelu, zadat okrajové podmínky, vytvořit síť výpočtového modelu, nastavit analýzu a spustit výpočet. Vytvořený model lze pak využít například pro zjišťování zdánlivé lomové houževnatosti laminátů, díky které lze posoudit nakolik je použitá konfigurace vhodnější než použití homogenního materiálu.
The diploma thesis dealt with 3D computational modelling of crack propagation in particle and layered ceramic composites. In first part of thesis, all tools for fracture mechanics implemented in software ANSYS were explored for their suitability in given topic. In the next part, crack propagation in particle composites was analysed, where extra focus was applied on influence of different stiffness and thermal expansion of all components of the composite. First, the crack propagation in homogenous material model was set up, then the effect of different stiffness of the composite components was added, and in the last stage, the effect of the residual stresses was also added. From the achieved results, it was possible to describe the influence of the previously listed factors on the energy required for crack propagation. This created model should be applicable to the model of a real composite, thanks to which it should be possible to quantify whether the composite is more resistant to crack propagation then the homogenous material. In the last part of thesis, the crack growth through layered ceramic laminates was analysed, where emphasis was again placed on the different stiffness and thermal expansion of all components of the laminate. In this part, the great advantage of the ANSYS APDL, creating of macros, were used. Using macros, a parametric model was created, which, after the input data was entered, was able to create geometry of the computational model, enter boundary conditions, create a mesh of the computational model, set up the analysis and start the simulation. The created model can be used, for example, to determine the apparent fracture toughness of laminate, thanks to which it is possible to access how much the used configuration is more suitable than the use of a homogenous material.
The diploma thesis dealt with 3D computational modelling of crack propagation in particle and layered ceramic composites. In first part of thesis, all tools for fracture mechanics implemented in software ANSYS were explored for their suitability in given topic. In the next part, crack propagation in particle composites was analysed, where extra focus was applied on influence of different stiffness and thermal expansion of all components of the composite. First, the crack propagation in homogenous material model was set up, then the effect of different stiffness of the composite components was added, and in the last stage, the effect of the residual stresses was also added. From the achieved results, it was possible to describe the influence of the previously listed factors on the energy required for crack propagation. This created model should be applicable to the model of a real composite, thanks to which it should be possible to quantify whether the composite is more resistant to crack propagation then the homogenous material. In the last part of thesis, the crack growth through layered ceramic laminates was analysed, where emphasis was again placed on the different stiffness and thermal expansion of all components of the laminate. In this part, the great advantage of the ANSYS APDL, creating of macros, were used. Using macros, a parametric model was created, which, after the input data was entered, was able to create geometry of the computational model, enter boundary conditions, create a mesh of the computational model, set up the analysis and start the simulation. The created model can be used, for example, to determine the apparent fracture toughness of laminate, thanks to which it is possible to access how much the used configuration is more suitable than the use of a homogenous material.
Description
Citation
ČERNÝ, H. Výpočtové modelování a analýza šíření trhlin v keramických kompozitech obsahující residuální napětí [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2023.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
cs
Study field
Inženýrská mechanika
Comittee
prof. Ing. Jan Vimmr, Ph.D. (předseda)
prof. Ing. Luboš Náhlík, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. Jindřich Petruška, CSc. (člen)
prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Michal Kotoul, DrSc. (člen)
doc. Ing. Zdeněk Hadaš, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jaroslav Zapoměl, DrSc. (člen)
prof. Ing. Pavel Hutař, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Tomáš Návrat, Ph.D. (člen)
Date of acceptance
2023-06-12
Defence
Při obhajobě student nejprve prezentoval svoji diplomovou práci, následně byly přečteny posudky a student odpovídal na dotazy oponenta. Poté byly členy komise položeny následující otázky:
Jaké bylo použito Poissonovo číslo?
Jak velké jste volil přírůstky?
Jaké kritérium v použitém softwaru rozhoduje o šíření trhliny v síti?
Je výpočet ovlivněn přiblížením čela trhliny k častici?
Na závěr byla obhajoba hodnocena jako výborná.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení