diplomová práce

Posouzení tepelně-mechanické únavy výfukového potrubí

Text práce 13.67 MB

Autor práce: Ing. Josef Košťál

Ak. rok: 2019/2020

Vedoucí: Ing. František Šebek, Ph.D.

Oponent: prof. Ing. Jindřich Petruška, CSc.

Abstrakt:

Tato diplomová práce se zabývá posouzením tepelně-mechanické únavy výfukového potrubí. Nejprve byla provedena rešeršní studie, ve které je rozebrán fenomén tepelně-mechanické únavy. Byly prezentovány hlavní mechanismy poškození a přístupy k jejich modelování. Diskutována byla i specifická chování materiálu vystavenému tepelně-mechanickému zatěžování. Byl vypracován přehled vhodných modelů materiálu a modelů únavové životnosti společně s algoritmem predikce tepelně-mechanické únavy komponenty. Poté byl tento teoretický základ aplikován na praktický případ výfukového potrubí podléhajícího tepelně-mechanickému zatěžování. Dva tepelně závislé elasto-plastické modely materiálu byly nakalibrovány a validovány na základě experimentálních dat. Byl vytvořen diskretizovaný konečnoprvkový model sestavy výfukového potrubí. Model tepelných okrajových podmínek byl předepsán na základě výpočtů ustáleného sdruženého přestupu tepla. Slabě sdružená tepelně-deformační úloha byla vyřešena metodou konečných prvků pro oba modely materiálů. Bylo použito paradigma nesvázaného modelu únavy, které je vhodné pro nízkocyklovou únavu. Životnost byla tedy vyhodnocena jako součást post-procesoru. Použity byly dva modely únavové životnosti – energeticky založený model a deformačně založený model. Získané hodnoty životnosti byly porovnány vzhledem k použitým modelům materiálu a modelům únavové životnosti. Nakonec jsou diskutovány závěry této práce, oblasti dalšího výzkumu a navrženy možnosti na zlepšení použitých přístupů.

Klíčová slova:

cyklická plasticita, tepelně–mechanická únava, metoda konečných prvků, sdružený přestup tepla, kalibrace modelu materiálu, predikce únavové životnosti

Termín obhajoby

31.7.2020

Výsledek obhajoby

obhájeno (práce byla úspěšně obhájena)

znakmkaAznamka

Klasifikace

A

Průběh obhajoby

Student ve vymezeném čase prezentoval svoji závěrečnou práci. Poté byly předneseny posudky a zodpovězeny dotazy oponenta. Následně byly pokládány další otázky vztahující se k diplomové práci: Co představuje jeden cyklus? Co představuje tepelný šok? Po zodpovězení všech dotazů bylo vystoupení hodnoceno jako výborné.

Jazyk práce

angličtina

Fakulta

Ústav

Studijní program

Aplikované vědy v inženýrství (M2A-P)

Studijní obor

Inženýrská mechanika a biomechanika (M-IMB)

Složení komise

prof. Ing. Vladislav Laš, CSc. (předseda)
doc. Ing. Luboš Náhlík, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. Jindřich Petruška, CSc. (člen)
prof. Ing. Jaroslav Zapoměl, DrSc. (člen)
doc. Ing. Zdeněk Florian, CSc. (člen)
prof. RNDr. Michal Kotoul, DrSc. (člen)
doc. Ing. Zdeněk Hadaš, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Tomáš Návrat, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D. (člen)

Student se ujal velmi iniciativně diplomové práce hned na začátku magisterského studia. V úvodu práce lze vyzdvihnout pečlivou rešerši relevantní literatury. Pan bakalář po definování geometrie výfukového potrubí nad rámec práce zařadil i výpočtové modelování dynamiky tekutin, tedy konkrétně řešení proudění spalin ve výfukovém potrubí. Výsledky přenesené na novou síť konečných prvků poté sloužily k vytvoření okrajových podmínek pro přechodovou teplotní úlohu, ze které student následně čerpal rozložení teplot pro reprezentativní cyklus řešený ve strukturální úloze. Jednalo se tedy po modelování dynamiky tekutin o slabě sdruženou teplotně–deformační úlohu. Vstupem do strukturální úlohy byly rovněž dva modely materiálu na různé úrovni složitosti, které byly kalibrovány pomocí velkého množství dat z literatury. Na teplotně–deformační úlohu nakonec navazovalo hodnocení životnosti jako následné zpracování mimo program ANSYS. Výsledky však byly pro zobrazení zpětně importovány do daného výpočtového programu. K hodnocení životnosti byly uvažovány dva různé přístupy. V práci se objevuje minimum překlepů. Použitá literatura není řazena dle prvního výskytu a obsahuje několik chyb. Závěry a doporučení k další práci jsou velmi cenné, a proto hodnotím diplomovou práci jako výbornou a doporučuji ji k obhajobě.
Kritérium hodnocení Známka
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu B

Známka navržená vedoucím: A

Předložená práce na téma tepelně mechanické únavy výfukového potrubí spalovacího motoru představuje velmi kvalitní rozbor předmětného problému z hlediska použitých teoretických přístupů k popisu konstitutivních modelů materiálu, nízkocyklové únavy i použitých výpočtových metod. Všechny zmíněné fenomény jsou následně použity při návrhu algoritmu predikce tepelně-mechanické únavy výfukového potrubí a jeho ilustraci na konkrétní geometrii potrubí včetně okrajových podmínek a zvoleném cyklu teplotního namáhání.
Z bohatého výčtu možných teoretických přístupů autor vhodně vybírá prakticky vhodné varianty z hlediska počtu a dostupnosti potřebných modelových parametrů. Správně konstatuje, že rostoucí komplexnost v literatuře nabízených modelů nemusí být v praxi přínosem díky obtížné identifikovatelnosti potřebných materiálových dat. Základními modely mezního stavu je nízkocyklová tepelná únava vycházející z disipace energie v jednotlivých cyklech a z cyklické deformační křivky Manson-Coffinova typu. Pro simulaci kinematického zpevnění materiálu byly rovněž vybrány dva typy modelů – bilineární kinematické zpevnění a model typu Chaboche.
Zmíněné modely byly úspěšně aplikovány na konkrétní geometrii a tepelný cyklus výfukového potrubí. Přitom se vycházelo ze sdruženého modelu proudění v potrubí pomocí konečných objemů a následné slabě sdružené tepelně mechanické úlohy tělesa výfuku pomocí MKP. Všechny modely identifikovaly shodné kritické místo potrubí. Odhad počtu cyklů do porušení nezávisel významně na modelu materiálu, ale na použitém modelu nízkocyklové životnosti. I tady se však výsledky lišily v poměru 2:1, což je i ve srovnání s literaturou přijatelný výsledek, který posiluje věrohodnost navrženého postupu.

V závěru autor diskutuje slabá místa použitého přístupu a navrhuje možnosti jeho rozšíření především o zahrnutí modelu tečení materiálu. Autor splnil všechny body zadání a jeho práci hodnotím známkou výborně.
K předložené práci mám následující dotazy:
1.    Prosím o vysvětlení významu veličiny y+ na obr. 4.28
2.    Přestup tepla na vnitřním povrchu potrubí byl modelován prostřednictvím interakce s modelem proudění spalin pomocí konečných objemů. Jak byl zajištěn přestup tepla na vnějším povrchu potrubí?
3.    Jak by se dal do celkového algoritmu zahrnout vliv nekonstantní amplitudy rozkmitu teplot? Například pravidelným zařazením studeného startu z -50°C po určitém počtu normálních cyklů?
Kritérium hodnocení Známka
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A

Známka navržená oponentem: A