Model geometrie mikro-prutových struktur pro metodu konečných prvků
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
A
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Rastúcou dostupnosťou technológie aditívnej výroby ako napríklad SLM, je umožnená tvorba inovatívnych konštrukčných návrhov. Príkladom sú aj tvarovo náročné mikro-prútové štruktúry, ktoré sú využívané z dôvodu výborných mechanických vlastností vztiahnutých na jednotku hmotnosti. Veľkým problémom sú tolerancie výroby, ktorých výskyt u väčšiny komponentov nie je kľúčový. Nakoľko pri mikro-prútových štruktúrach hovoríme o tenkostennej geometrii, výrobné tolerancie spôsobujú výrazné odchýlky v mechanických vlastnostiach. Proces návrhu štruktúr a dosiahnutie výsledkov porovnateľných s experimentom vyžaduje použitie neštandardných metód. Hovoríme o časovo a finančne náročných postupoch na získanie reálnej geometrie, ktoré sú následne použité pre numerické simulácie založené na princípe MKP. Táto práca sa zaoberá dopadom geometrických imperfekcií vyskytujúcich sa v štruktúrach typu BCC, ktoré sú tvorené z nerezovej ocele 316L. Počas riešenia bola získaná reálna geometria prostredníctvom optickej digitalizácie s využitím skeneru ATOS Triple Scan. Súčasťou bola aj dynamická skúška na pádovom testeri z ktorého boli použité výsledky pri úprave modelu geometrie v kombinácií so získanou reálnou geometriou. Z dôvodu minimalizácie odchýlky výsledkov z experimentu a numerickej simulácie pod úroveň 5 % boli získané poznatky využité pri simuláciách skúmajúcich dopad geometrických imperfekcií. V oblasti simulácií zaoberajúcich sa dopadom imperfekcií boli stanovené odchýlky až do 30 %. Tieto je možné minimalizovať pri zahrnutí poznatkov reálnej geometrie do návrhu. Z výsledkov je taktiež možné stanoviť rozsah priemeru, kedy je zahrnutie geometrických imperfekcií do návrhu nerelevantné. Taktiež bol pozorovaný veľký dopad geometrie uzla na výsledky z numerických simulácií, čo prispelo priblíženiu sa hodnotám z experimentu. Dôležitým prínosom práce je aj zjednodušený model geometrie, ktorý v budúcnosti umožní študovať dopad ďalších imperfekcií v rozsahu ktorý doteraz nebol možný.
The growing availability of additive manufacturing technology, such as SLM, enables the creation of innovative structural designs. An example of these are complex lattice structures which are used because of their excellent mechanical properties relative to weight. One significant challenge lies in production tolerances. These are not crucial for the majority of components. However, when dealing with lattice structures and their thin-walled geometry, manufacturing tolerances lead to substantial deviations in mechanical properties. The process of designing such structures and achieving results comparable to the experiment requires the use of non-standard methods. These methods are time-consuming and costly for obtaining real geometry. The real geometry is then used for numerical simulations based on the FEM principle. This thesis focuses on the impact of geometric imperfections occurring in BCC-type structures made of stainless steel 316L. During the solution, the real geometry was obtained through optical digitization using the ATOS Triple Scan scanner. Dynamic drop-weight tests were also conducted, and the obtained results were used to modify the geometry model in combination with the acquired real geometry. The aim was to minimize the deviation between experimental and numerical simulation results below 5%. The knowledge gained from this process was then applied in simulations investigating the impact of geometric imperfections. Deviations up to 30% were observed in simulations investigating the impact of geometric imperfections. These deviations can be minimized by incorporating the knowledge of real geometry into the design. The results also help determine the diameter range within which including geometric imperfections in the design is irrelevant. Furthermore, a significant impact of the node geometry on the results of numerical simulations was observed. This knowledge brought the values closer to the experimental data. Another important contribution of this work is the simplified geometry model. This model will enable the study of the impact of additional imperfections in a range that was previously unattainable.
The growing availability of additive manufacturing technology, such as SLM, enables the creation of innovative structural designs. An example of these are complex lattice structures which are used because of their excellent mechanical properties relative to weight. One significant challenge lies in production tolerances. These are not crucial for the majority of components. However, when dealing with lattice structures and their thin-walled geometry, manufacturing tolerances lead to substantial deviations in mechanical properties. The process of designing such structures and achieving results comparable to the experiment requires the use of non-standard methods. These methods are time-consuming and costly for obtaining real geometry. The real geometry is then used for numerical simulations based on the FEM principle. This thesis focuses on the impact of geometric imperfections occurring in BCC-type structures made of stainless steel 316L. During the solution, the real geometry was obtained through optical digitization using the ATOS Triple Scan scanner. Dynamic drop-weight tests were also conducted, and the obtained results were used to modify the geometry model in combination with the acquired real geometry. The aim was to minimize the deviation between experimental and numerical simulation results below 5%. The knowledge gained from this process was then applied in simulations investigating the impact of geometric imperfections. Deviations up to 30% were observed in simulations investigating the impact of geometric imperfections. These deviations can be minimized by incorporating the knowledge of real geometry into the design. The results also help determine the diameter range within which including geometric imperfections in the design is irrelevant. Furthermore, a significant impact of the node geometry on the results of numerical simulations was observed. This knowledge brought the values closer to the experimental data. Another important contribution of this work is the simplified geometry model. This model will enable the study of the impact of additional imperfections in a range that was previously unattainable.
Description
Keywords
Selective laser melting (SLM), metóda konečných prvkov (MKP), mikro-prútová štruktúra, geometrické imperfekcie, BCC, nerezová oceľ 316L, optická digitalizácia, Selective laser melting (SLM), finite element method (FEM), lattice structure, geometric imperfections, BCC, stainless steel 316L, optical digitization
Citation
JAVORSKÝ, D. Model geometrie mikro-prutových struktur pro metodu konečných prvků [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
sk
Study field
bez specializace
Comittee
prof. Ing. Martin Hartl, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Daniel Koutný, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Pavel Maňas, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Ivan Mazůrek, CSc. (člen)
Ing. Bronislav Růžička, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Jan Vimmr, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Michal Hajžman, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Stanislav Němeček, PhD. (člen)
Date of acceptance
2023-06-19
Defence
Student prezentoval svoji práci a odpověděl na otázky oponenta:
1) Na reálné chování mikroprutových struktur má jistě vliv i náhodný charakter vámi zkoumaných veličin. Můžete se k tomuto vlivu vyjádřit a případně naznačit jakým způsobem by bylo možné ho zahrnout do vámi vytvořených modelů? ZODPOVĚZENO
doc. Vimmr – Kolik elementů jste pro Váš model volil a jak ta úloha byla časově náročná? ZODPOVĚZENO
doc. Vimmr – Je metoda konečných prvků pro tyto mikrostruktury vhodná? ZODPOVĚZENO
doc. Mazůrek – Tvrdíte, že přesnost akumulované energie je cca 5 %, jak to že síla nelze, tak přesně určit?
doc. Koutný – Na jakém materiálu byly tyto experimenty a simulace prováděny? ZODPOVĚZENO
doc. Koutný – Jsou tyto analýzy přenositelné na jiný materiál? ZODPOVĚZENO
doc. Koutný – Je chování závislosti délky a průměru prutu stejné? ZODPOVĚZENO
doc. Koutný – Model je navržený parametricky, můžete odhadnout do jaké míry model je možné vyscalovat co se týče velikosti buněk? Byla by při velké zvětšení buněk model stále přesný? ZODPOVĚZENO
doc. Koutný – Je tu limit ohledně vzpěrné stability? ZODPOVĚZENO
doc. Koutný – Od jaké velikosti se již musí brát v úvahu vzpěr? ZODPOVĚZENO
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení