Projekty inżynierskie
Analiza zjawiska plastycznego płynięcia złącza FSW – laureat konkursu na Najlepsze Prace Dyplomowe WiMIR
Autor: Mikołaj Rymut
Streszczenie: Praca inżynierska dotyczy analizy numerycznej metodą elementów skończonych w oprogramowaniu ANSYS. Zakres pracy obejmuje przegląd literatury z zakresu łączenia stopów aluminium (klejenie, zgrzewanie, lutowanie, spawanie, nitowanie) oraz szczegółowe omówienie procesu zgrzewania tarciowego z przemieszaniem materiału zgrzeiny (FSW). Zaprezentowano wyniki badań: mikrostruktury złącza przy użyciu mikroskopu świetlnego, twardości twardościomierzem Vickersa oraz jednoosiowego rozciągania na maszynie wytrzymałościowej. W pracy przedstawiono proces analizy numerycznej złącza FSW pod względem wytrzymałościowym. W tym celu zostało wykorzystane oprogramowanie ANSYS, w którym do opisu nieliniowego zachownia materiału zastosowano model Gursona-Tvergaarda-Needlemana. Otrzymane rezultaty porównano z wynikami eksperymentalnymi, gdzie zmierzony błąd względny był na poziomie 6%. Zaobserwowano również, że przewężenie próbki zarówno w symulacji numerycznej jak i w eksperymencie, pojawiło się w miejscu strefy wpływu ciepła, która charakteryzowała się najmniejszą twardością wśród wszystkich stref zgrzeiny.
Analiza procesu pękania z zastosowaniem metody peridynamics – laureat konkursu na Najlepsze Prace Dyplomowe WiMIR
Autor: Adam Rams
Streszczenie: W pracy przedstawiono analizę zjawiska propagacji pęknięcia w materiale polimerowym PMMA z wykorzystaniem nielokalnej teorii peridynamics, umożliwiającej opis i symulację powstawania oraz rozwoju szczelin w sposób bardziej naturalny niż w klasycznych metodach. Motywacją do podjęcia tematu była obserwowana trudność w precyzyjnym modelowaniu procesu pękania przy użyciu metody elementów skończonych (MES). Zastosowanie metody peridynamics umożliwia odwzorowanie ścieżki propagacji pęknięcia bez konieczności ciągłej aktualizacji siatki obliczeniowej (remeshingu). W pracy dokonano wyznaczenia właściwości mechanicznych materiału (PMMA) na podstawie przeprowadzonych badań eksperymentalnych (próba rozciągania, udarności, pękania wraz z pomiarem długości pęknięcia oraz prędkości propagacji pęknięcia). W dalszej kolejności uzyskane dane eksperymentalne porównano z wynikami uzyskanymi z symulacji numeryczne z wykorzystaniem modelu sprężystego peridynamics zaimplementowanego w środowisku MATLAB. Ponadto, w pracy omówiono podstawy wykorzystenej metody numerycznej, w tym zasadę dyskretyzacji modelu geometrycznego, algorytm wyznaczania sił w wiązaniach punktów materialnych oraz kryterium zrywania wiązań. Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono, że metoda peridynamics dobrze odwzoruje ścieżkę propagacji pęknięcia w materiałach wykazujących quasi-kruche pękanie materiałów. Zaprezentowana w pracy metodologia może stanowić podstawę do dalszych badań i usprawnień modelu, np. w zakresie symulacji zjawisk dynamicznych czy modelowania materiałów wielowarstwowych.
Prace magisterskie
Analiza numeryczna odporności aluminiowych paneli strukturalnych na uderzenia balistyczne
Autor: inż. Filip Kozioł
Streszczenie: Celem pracy było przeprowadzenie analizy numerycznej odporności aluminiowych paneli strukturalnych na uderzenia balistyczne przy pomocy nowoczesnych narzędzi inżynierskich. W pracy przybliżono podstawowe zagadnienia związane z mechaniką zderzeń. Przeprowadzone symulacje numeryczne dotyczyły analizy odporności pancerzy ochronnych wykonanych z litej płyty oraz panelu strukturalnego o tym samym stosunku masy do powierzchni. W obydwu przypadkach został zastosowany wysokowytrzymały stop aluminium 2A12-T4. Na podstawie przeglądu literatury zostały dobrane parametry modeli Johnsona – Cooka, opisujące bieżącą granicę plastyczności i proces pękania. Dodatkowo, z literatury dobrano również parametry równania stanu wstrząsu. Panel strukturalny był badany pod obciążeniem uderzenia pociskiem przeciwpancernym kalibru 12,7 x 99 mm. W pracy został zawarty szczegółowy opis geometrii zaproponowanego panelu strukturalnego. Przeprowadzona została analiza dynamiczna procesu przebijania paneli z różnymi prędkościami początkowymi pocisku. Wyniki analizy dynamicznej obejmowały wartości granicznej prędkości balistycznej, typ zniszczenia, poziom zaabsorbowanej energii kinetycznej pocisku oraz proces przebijania panelu strukturalnego. W analizie granicznej prędkości balistycznej został zaobserwowany wpływ współczynnika tarcia na efekt antypenetracyjny panelu. Analiza typu zniszczenia wykazała zależność rozmiaru deformacji oraz kształtu powstałego otworu od prędkości początkowej, gdzie wraz ze zmniejszeniem prędkości początkowej pocisku, odnotowano większą deformację panelu strukturalnego. Badania wartości zaabsorbowanej energii kinetycznej pocisku oraz procesu przebijania pokazały, że kluczowym miejscem do zwiększania odporności panelu jest tylna ściana jego konstrukcji. Uzyskane wyniki pokazują zasadność stosowania paneli strukturalnych jako struktur ochronnych.
Wpływ naprawy pióra łopatki rotującej turbiny niskiego ciśnienia na integralność strukturalną badanej części
Autor: inż. Michał Sowa
Streszczenie: Utrzymanie komponentów silników lotniczych koncentruje się przede wszystkim na zapewnieniu bezpieczeństwa, przy jednoczesnym uwzględnieniu uwarunkowań ekonomicznych. Wymiana uszkodzonych części bywa nieopłacalna lub technicznie niewykonalna, dlatego inżynierowie coraz częściej wykorzystują zaawansowane narzędzia numeryczne, takie jak metoda elementów skończonych (MES), do oceny niezawodności naprawionych elementów bez konieczności przeprowadzania kosztownych testów fizycznych. W ramach zrealizowanej pracy przeanalizowano zachowanie strukturalne oraz trwałość zmęczeniową łopatki turbiny niskiego ciśnienia (LPT) silnika CF6, ze szczególnym uwzględnieniem wpływu wgnieceń oraz przeprowadzonych napraw metodą blendowania, polegających na lokalnym usunięciu materiału wokół defektu w celu uzyskania gładkiego, wolnego od uszkodzeń konturu. Badanie integruje inżynierię odwrotną, modelowanie analityczne oraz analizę MES w celu oceny wpływu odchyłek geometrycznych na integralność strukturalną łopatki. Geometria komponentu została odwzorowana na podstawie skanowania 3D rzeczywistego egzemplarza. Parametry eksploatacyjne, takie jak temperatura, prędkość obrotowa wału i obciążenia, zostały pozyskane z dokumentacji NASA. Analizie poddano trzy warianty geometrii: nominalną, z wgnieceniem oraz po naprawie typu blend. Uwzględniono również kilka przypadków skrajnych konfiguracji naprawczych o nietypowych wymiarach i lokalizacji. Ocena koncentrowała się na rozkładzie naprężeń statycznych oraz niskocyklowej trwałości zmęczeniowej (LCF), z uwzględnieniem efektów koncentracji naprężeń wynikających z defektów i napraw. Materiałem zastosowanym w łopatce był nadstop niklu René 80. Dane materiałowe do analizy trwałości zmęczeniowej uzyskano na podstawie analitycznej metody wyznaczania przybliżonej krzywej S–N. Trwałość zmęczeniowa konstrukcji została oszacowana zarówno przy użyciu oprogramowania numerycznego, jak i metodologii NASAlife, opracowanej do prognozowania trwałości elementów układów napędowych poddanych cyklicznym obciążeniom mechanicznym. Wyniki końcowe wskazują, że chociaż defekty typu wgniecenia i blendowania zmieniają lokalne rozkłady naprężeń i wprowadzają strefy koncentracji naprężeń, ogólna integralność strukturalna komponentu, nawet w scenariuszach skrajnych pozostaje w bezpiecznych granicach eksploatacyjnych. Model analityczny zapewnił uproszczoną ocenę zachowania łopatki, skutecznie oszacowując rozkład naprężeń i trwałość zmęczeniową w warunkach uproszczonych, jednak nie odzwierciedlał lokalnych koncentracji naprężeń wynikających z cech geometrycznych. Z kolei analiza MES wykazała wyższą dokładność, szczególnie w ocenie wpływu defektów oraz napraw typu blend, które oddziaływały zarówno lokalnie, jak i globalnie na rozkład naprężeń. W celu poprawy dokładności predykcji, dalsze prace powinny uwzględniać bardziej zaawansowane modelowanie cieplne, obciążenia aerodynamiczne oparte na analizie CFD, eksperymentalnie potwierdzone dane materiałowe oraz bardziej precyzyjne kryteria uszkodzenia, dostosowane do warunków pracy w wysokotemperaturowych sekcjach turbin.
Badanie wpływu warunków atmosferycznych na własności mechaniczne kompozytu
Autor: inż. Michał Wojtas
Streszczenie: Celem niniejszej pracy było zbadanie wpływu warunków atmosferycznych na właściwości mechaniczne kompozytów szklano-epoksydowych stosowanych w konstrukcjach lotniczych, zwłaszcza w szybownictwie. Celem drugorzędnym było porównanie wytrzymałości laminatu wytworzonego z żywicy LG 735 AERO z innymi laminatami.
W niniejszej pracy przedstawiono aktualny stan wiedzy dotyczący włókien oraz żywic stosowanych w przemyśle lotniczym, ze szczególnym uwzględnieniem ich właściwości mechanicznych oraz odporności na oddziaływanie czynników środowiskowych, takich jak podwyższona temperatura, wilgotność względna powietrza oraz promieniowanie UV. Omówiono mechanizmy degradacji materiałów kompozytowych zachodzące w wyniku długotrwałej eksploatacji w warunkach środowiskowych typowych dla zastosowań lotniczych.
W części eksperymentalnej przygotowano próbki kompozytów z zastosowaniem trzech rodzajów żywic epoksydowych, wykorzystując technologię infuzji próżniowej. Przeprowadzono badania obejmujące skaningową kalorymetrię różnicową (DSC), próby rozciągania oraz próby zginania próbek w stanie bezpośrednio po wytworzeniu. Najwyższą wytrzymałość mechaniczną wykazał laminat wytworzony z żywicy LG 735 AERO. Jego wytrzymałość na rozciąganie wyniosła 341,3 MPa, natomiast na zginanie 401,3 MPa. Dodatkowo, próbie zginania poddano także próbki uprzednio starzone w temperaturach 100°C, 120°C oraz 140°C. Uzyskane wyniki wykazały wyraźny spadek wytrzymałości mechanicznej wraz ze wzrostem temperatury i czasu oddziaływania czynnika termicznego. Przykładowo, po 12 godzinach starzenia w temperaturze 140°C, wytrzymałość na zginanie laminatu LG 735 AERO spadła do 174,2 MPa, co stanowi spadek o 56,6% względem wartości początkowej.
Na podstawie wartości wytrzymałości wyznaczono parametry równania Arrheniusa dla każdego z badanych laminatów. Następnie, znając stałą szybkość degradacji, obliczono i porównano predykcję wytrzymałości laminatów z wartościami otrzymanymi w badaniach eksperymentalnych.
Dodatkowo wykonano obliczenia teoretyczne sztywności laminatu na podstawie modelu Voigta oraz podejścia mikromechanicznego, porównując je z wynikami eksperymentalnymi. Zaproponowano modyfikację klasycznego modelu Voigta w celu lepszego odwzorowania zachowania rzeczywistego materiału. Na zakończenie pracy obliczono teoretyczną wytrzymałość każdej z warstw laminatu wykorzystując kryterium Tsai’a-Wu i porównano ją z rzeczywistą wytrzymałością warstw laminatów.