Projekti / Programi
Numerična in eksperimentalna analiza nelinearnih mehanskih sistemov
01. januar 2017
- 31. december 2021
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.05.00 |
Tehnika |
Mehanika |
|
| 2.04.00 |
Tehnika |
Materiali |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T150 |
Tehnološke vede |
Tehnologija materialov |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.03 |
Tehniške in tehnološke vede |
Mehanika |
| 2.05 |
Tehniške in tehnološke vede |
Materiali |
Visoka odpornost za utrujenostno rast razpoke in lom heterogenih materialov, Optimiziranje strukture oblike, spremljanje sprememb stanja materiala na površini s pomočjo optičnih senzorjev
Raziskovalci (15)
Organizacije (1)
Povzetek
Proces utrujanja in z njim povezan proces sprememb v materialu je odvisen od precej faktorjev, kot so vrsta in način obremenjevanja, mikrostruktura, heterogenost materiala, vplivi okolja kot tudi drugi faktorji. V okviru programske skupine je pokazano, da je možno za več kot deset krat povečati število obremenitvenih ciklov do porušitve, kakor tudi doseči povečano odpornost na lom z uporabo heterogenih materialov in ustreznim kombiniranjem njihovih mehanskih lastnosti. Mehanski sistemi, kot so konstrukcije, mehanizmi ali stroji, so izpostavljeni dinamičnim obremenitvam zaradi katerih pride do sprememb na površini materiala ali v materialu. Dokazano je, da spremembam stanja na površini materiala sledijo procesi iniciacije-nastanka in rasti razpoke. Za spremljanje mehanizmov degradacije in sprememb, bomo skupaj z Laboratorijem za optične senzorje Fakultete za elektrotehniko in računalništvo Univerze v Mariboru, uporabili senzorje iz optičnih vlaken - Braggove rešetke, ki vsebuje na dolžini 1mm več kot 2000 referenčnih deformacijskih razdalj (mikro-zrcal). Takšna gostota omogoča izvajanje meritev na nivoju velikosti zrn večine kovinskih materialov. Analizirali bomo spremembe v odbitem optičnem spektru rešetke v odvisnosti od števila obremenitvenih ciklov. Na osnovi opravljenih pilotnih raziskav je ugotovljeno, da poleg spremljanja napetosti prihaja do sprememb v optičnem spektru Bragove rešetke, ki so posledica sprememb stanja zrn na površini materiala konstrukcijske komponente, kot tudi sprememba lezenja materiala v merilnim sistemu, ki ga sestavlja površina materiala, pritrdilni sloj in optično vlakno. V okviru priprav na nov raziskovalni program je bilo ugotovljeno, da se hrapavost površine testiranih materialov najbolj izrazito spreminja v začetni in končni fazi obremenjevanja. Torej, v vmesni stabilni fazi je možno opaziti, da so izmerjene vrednosti hrapavosti v območju pričakovanega raztrosa okoli srednje vrednosti, med tem ko v zaključni fazi amplituda hrapavih neravnin začne izrazito naraščati pred porušitvijo. V okviru novega raziskovalnega cikla bomo raziskali korelacijo med spremembo v obliki odbitega optičnega spektra Braggove rešetke in spremembo parametra hrapavosti na površini. S pomočjo posebne programske opreme bodo optimizirane konstrukcijske komponente glede minimalne mase, lastnih frekvenc, znižanje koncentracije napetosti in določena primerna mesta za postavitev senzorjev. S tem se odpira možnost tudi merjenja sprememb stanja površine pred in v fazi iniciacije nastanka utrujenostnih razpok le na enem kritičnem mestu. Torej, program raziskav v prihodnjem obdobju zajema razvoj sistema za meritev cikličnih deformacij na mikroskopskem nivoju za karaterizacijo spremembe stanja površine konstrukcijske komponente. Razvoj predlagane metod bo tako omogočal izdelavo senzorskih sistemov za sprotno (on-line) spremljanje kritičnih komponent, njihovo ocenjevanje, napovedovanje in alarmiranje.
Pomen za razvoj znanosti
Eksperimentalni rezultati kažejo visoko odpornost heterogenih struktur proti iniciaciji-nastanku in rasti utrujenostne razpoke. Rezultati so bili indirektno s strani članov PS potrjeni numerično s pomočjo koncepta »konfiguracijskih sil«. Neposrednih do danes dokazov ni. Z uporabo FBG senzorjev bo možno neposredno spremljati lomne procese že v zgodnji fazi nastanka razpok in neposredno potrditi eksperimentalne rezultate. Pri tem bo analiziran in upoštevan vpliv trdnostne heterogenosti in različnega termičnega raztezka za oceno nastanka gradienta napetosti med posameznimi plastmi zaradi termičnih raztezkov, kot tudi razlike v deformacijah materialov v obremenitvenem sistemu. Pri tem bodo analizirani še geometrijski vpliv kot so debelina optičnega vlakna, debelina z lepilno maso in debelina plasti lepila med optičnim vlaknom in podlago. Na osnovi mikroskopskih izmer geometrijske elementov merilne zveze bo kreiran model za numerično obdelavo. Z numerično analizo bo določen vpliv generiranja hrapavosti. Analiziran bo mehanizem prenosa neravnin s površine zrn v nastajanju čez sloj lepila na FBG senzor za različne materiale. Neposredni znanstveni prispevek predstavlja vzpostavitev algoritma za prenos elastičnih in plastičnih deformacij s površne posameznega zrna čez plast lepila na optično vlakno. Z optimiziranjem konstrukcijskih komponent bo možno osredotočiti se le na kritični del konstrukcijske komponente in določiti položaj za pritrditev FBG senzorjev. FBG senzorji bodo uporabljeni pri heterogenih večplastnih materialov za določitev prenosa deformacijske energije med posameznimi plastmi ter na osnovi razlik, ki nastanejo med posameznimi nosilnimi sloji določen učinek tanke vmesne plasti in njenih lastnosti na povečano odpornost na lom in povečano dinamično trdnost. Z rešitvijo zastavljenih vprašanj se bo vplivalo na nadaljnji razvoj aplikacije heterogenih večplastnih materialov na visoko nosilne lahke konstrukcijske komponente. Prav tako rezultati bodo vplivali na razvoj senzorske opreme, ker bodo izločeni vplivi posameznih materialov v sistemu s čemer bomo dobili relevantne podatke odziva FBG senzorja.
Pomen za razvoj Slovenije
Predlagan raziskovalni program je edinstven v slovenskem prostoru in mednarodno primerljiv. Temelji na komparativnih prednostih, ki so primerljive in izstopajo od do sedaj v svetu razširjenih aplikacij na področju optimiranja konstrukcijskih komponent, kakor tudi na rezultatih in ugotovitvah o povečanju lomne odpornosti in dinamične trdnosti konstrukcij z uporabo heterogenih struktur. Z aplikacijo senzorske tehnike FBG se dobi nova dimenzija kvantitativnega in kvalitativnega kontinuiranega nadzora optimiziranih konstrukcijskih komponent ter s tem neposredna verifikacija dosedanjih rezultatov. Raziskovalni program temelji na numeričnih 3D modelih, ki jih je mogoče enostavno in hitro izdelati s sodobnimi proizvodnimi procesi ali pa prenesti v večje proizvodne sisteme. Možno je že vmesne rezultate raziskovalnega programa prenesti v proizvode, kot so nosilne komponente v splošni strojegradnji ali transportni industriji (žerjavi, avtomobili, letala, …). Prenos rezultatov raziskovalnega programa v gospodarske dejavnosti bo potrebno podprti z dodatnimi specialističnimi usposabljanjem in izobraževanjem, ki ga bodo izvajali člani programske skupine. S tem se bo v gospodarstvo prenašala nova mednarodno primerljiva znanja, ki bodo prispevala večji dodani vrednosti izdelkov v domači kovinski industriji.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo
