Bachelor's Thesis

Numerical modeling of crack propagation under conditions of LEFM

Final Thesis 3.17 MB

Author of thesis: Ing. Jakub Mikula

Acad. year: 2011/2012

Supervisor: Ing. Martin Ševčík, Ph.D.

Reviewer: prof. Ing. Pavel Hutař, Ph.D.

Abstract:

The presented bachelor’s thesis deals with numerical modeling of crack propagation in general planar body. A user macro was created in APDL programming language for estimation of crack propagation direction and collection of data. Macro allows selection one of the four criteria intended to estimate the direction of the crack and the subsequent listing of the data into a text document. The calculation is based on the finite element method (FEM) using a commercial system ANSYS. The conditions of linear elastic fracture mechanics (LEFM) are expected during the calculation. The first part of this thesis describes the basic concepts of LEFM, including a description of mentioned criteria. The second part is devoted to the created macro. It also describes the algorithm and the necessary conditions for correct processing of data.  A comparison with available published data or with experimental data gives a summary of the accuracy and utilization of created macro. In conclusion, the example of estimation of the residual life by different criteria is shown, as its other application.

Keywords:

Fracture mechanics, crack, stress intensity factor, T – stress, residual life, finite element method (FEM)

Date of defence

19.06.2012

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Posluchač představil komisi svou bakalářskou práci. Dále odpověděl výborně na všechny otázky oponenta a dalších členů komise.

Language of thesis

Slovak

Faculty

Department

Study programme

Engineering (B2341-3)

Field of study

Mechanical Engineering (B-STI)

Composition of Committee

Ing. Lubomír Junek, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Jana Horníková, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Pavel Švancara, Ph.D. (člen)
Ing. Jaroslav Kovařík (člen)
prof. Ing. Luboš Náhlík, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Tomáš Návrat, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Vladimír Fuis, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Zdeněk Florian, CSc. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Martin Ševčík, Ph.D.

Bakalářská práce pana Jakuba Mikuly je zaměřena na numerické modelování chování trhliny při smíšeném módu namáhání. Cílem práce je vytvoření uživatelského makra pro výpočtový systém ANSYS s jehož pomocí lze simulovat růst trhliny ve dvojdimenzionálním prostoru.

Práce je členěna do logických celků, v nichž autor stručně seznamuje čtenáře se základními pojmy lomové mechaniky a únavy materiálu, následované popisem vybraných metod určování součinitele intenzity napětí a T-napětí. V další části již autor popisuje jednotlivá uvažovaná kritéria pro odhad dalšího směru šíření únavové trhliny. Autor popisuje pět kritérií, která jsou často využívána pro popis chování trhliny v materiálu. Rozsah literární rešerše je možné považovat za uspokojivý.

Významnou část práce tvoří detailně popsané uživatelské makro a nutné předpoklady pro jeho správnou funkci. Výstupem z numerické simulace je pak predikce trajektorie vrcholu trhliny odhadnutá pomocí kritéria, které si uživatel zvolí. Uživatel tedy získává tzv. K-kalibraci, kterou lze využít při stanovování zbytkové životnosti studované konstrukce.

Následující část bakalářské práce se již zabývá ověřením dílčích výsledků z numerické simulace a porovnáním s dostupnou literaturou, případně experimentem. Kladně hodnotím i možnost využití makra pro studium chování trhliny v blízkosti materiálové nehomogenity, např. vliv tuhé/poddajné částice na trajektorii trhliny. Práce končí kritickým zhodnocením dosažených výsledků.

Autor svou prací velmi významně přispívá ke zvýšení uživatelského komfortu při studiu lomově-mechanických úloh. Velmi oceňuji možnost využití makra na libovolnou rovinnou úlohu. Ze své zkušenosti mohu říci, že to, co dříve zabralo dny, je nyní s pomocí makra vytvořeném panem Jakubem Mikulou záležitostí několika minut. Kladně hodnotím i vytvoření rozhraní v anglickém jazyce, čímž autor ještě zvýšil potenciál širokého rozšíření makra mezi uživatele.

Celková práce působí uceleným dojmem a je zřejmé, že se autor v dané problematice dobře orientuje a vyvinul nadprůměrné úsilí, aby beze zbytku splnil zadání práce.

Pan Jakub Mikula velmi aktivně a samostatně řešil celou řadu problémů spojených se zadáním a na časté konzultace byl vždy příkladně připraven. 

Bakalářskou práci doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené vysledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A
Display more

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
prof. Ing. Pavel Hutař, Ph.D.

Předložená práce, která vznikla pod vedením Ing. Martina Ševčíka, PhD. si klade za cíl vytvořit uživatelsky přívětivé makro pomocí programovacího jazyka APDL na automatické modelování šíření trhliny pro rovinné úlohy. Tento na bakalářskou práci poměrně ambiciózní cíl se podařilo beze zbytku splnit a vznikl tak doplněk k programovému balíku Ansys, který může mít další využití jak pro výuku lomové mechaniky, tak pro řešení praktických úloh. Z práce je patrné, že se autor velice dobře orientuje v problematice lomové mechaniky, což naznačují i citace zahraničních prací ze kterých převážně čerpal. Z formálního hlediska nemám k práci významnější výhrady a kromě několika nepřesností považuji práci za velice zdařilou. Závěrem konstatuji, že předloženou práci co do provedení a kvality považuji ve srovnání s obdobnými pracemi za nadprůměrnou a jednoznačně ji doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. vysledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Při popisu algoritmu uživatelského makra (kap.4.1.2) se autor zmiňuje o vstupech potřebných pro výpočet trajektorie trhliny na konkrétním numerickém modelu a jedním z nich je „Keypoint of end“ což je číslo uzlového bodu, kam se bude předpokládaná trhlina šířit. Co se stane když uživatel správně neodhadne směr šířící se trhliny a výsledná trajektorie bude významně odlišná od předpokládané?
  2. Na obr.5.30 jsou ukázány výsledky konvergenční analýzy při hledání trajektorie trhliny pro různé přírůstky její délky. Ukazuje se, že pro menší přírůstky se vypočtená trajektorie stále přibližuje experimentálně zjištěným výsledkům. Vedlo by další zjemňování kroku ke zvýšení přesnosti?
Display more

Grade proposed by reviewer: A