Projekti / Programi
Numerična in eksperimentalna analiza nelinearnih mehanskih sistemov
01. januar 2022
- 31. december 2027
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.05.00 |
Tehnika |
Mehanika |
|
| 2.04.00 |
Tehnika |
Materiali |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.03 |
Tehniške in tehnološke vede |
Mehanika |
| 2.05 |
Tehniške in tehnološke vede |
Materiali |
mehanske lastnosti, lomna mehanika, utrujanje, zaostale napetosti, heterogeni materiali, topološka optimizacija, dodajne tehnologije, MKE, peridinamika, senzorji iz optičnih vlaken, stereo-optične meritve, degradacija materiala, mikroskopske meritve, kontunuirano spremljanje deformacij.
Podatki za zadnjih 5 let (citati za zadnjih 10 let) na dan
15. april 2024;
A3 za obdobje
2018-2022
| Baza |
Povezani zapisi |
Citati |
Čisti citati |
Povprečje čistih citatov |
| WoS |
230 |
2.646 |
2.216 |
9,63 |
| Scopus |
268 |
3.135 |
2.677 |
9,99 |
Raziskovalci (10)
Organizacije (1)
Povzetek
Raziskave v okviru programa bodo usmerjene k razvoju sistema za določevanje in spremljanje spremembe stanja površine materiala zaradi dinamičnih obremenitev na topološko optimiziranih konstrukcijskih komponentah, ki so izdelane iz materialov s povečano odpornostjo na nastanek in rast razpok. Raziskave za določitev mehanskih in lomno mehanskih lastnostih se bodo izvajale predvsem na homogenih in heterogenih kovinskih materialih, ki so izpostavljeni statičnim in dinamičnim obremenitvam. Povečana odpornost na lom se bo dosegla z večplastnimi nanosi trdnostno različnih materialov, kot tudi z lokalno termo-mehansko in lasersko obdelavo, s čemer se bodo tudi generirale tlačne zaostalih napetosti. Posebno pozornost bomo namenili izdelavi vzorcev z laserskim nataljevanjem kovin in optimiziranju tehnologije izdelave za doseganje mehanskih in lomno-mehanskih lastnosti, ki bodo čimbolj primerljive s klasičnimi metodami izdelave materialov s povišano odpornostjo na lom. Topološko optimizirane strukture mehanskega sistema in konstrukcijskih komponent bodo omogočile optimalno izrabo materiala in izdelavo napredno oblikovanih konstrukcijskih delov glede na njihovo maso, napetostna stanja in lastno frekvenco. Z numeričnimi simulacijami napetostno-deformacijskega obnašanja komponent, ki so izdelane iz materialov s povečano odpornostjo na lom, bomo analizirali napetostno-deformacijsko obnašanje na površini in v notranjosti materiala. Numerične modele bomo integralno modelirali s končnimi elementi in območji peridinamičnih diferencialnih operatorjev. Z uvedbo peridinamičnih diferencialnih funkcij bomo lahko analizirali obremenitvena stanja, ki so sestavljena iz večfaznih sistemov, kot so mikrostrukturne transformacije materialov pod istočasnim vplivom napetosti. Verifikacijo napetostno-deformacijskega obnašanja komponent, narejenih iz materialov s povišano odpornostjo, bomo opravili z kontinuiranimi meritvami deformacijskega obnašanja na površini. Pri tem bomo izvajali meritve stereo-optične meritve in meritev deformacij s pomočjo optičnih senzorjev. Za slednje bomo razvili algoritme za kontinuirano spremljanje degradacijskih procesov med dinamičnim obremenjevanjem. Z raziskavami v okviru programa skušamo dati odgovor o stopnji točnosti spremljanja obremenitvene karakteristike sistema in degradacije materiala na dinamično obremenjenih komponentah. Rezultati raziskovalnega programa bi pomembno prispevali širjenju aplikaciji umetne inteligence na stroje in naprave, ki obratujejo. Saj s pomočjo razvitih algoritmov in računalniško obdelavo je s pravočasnim in točnim zaznamovanje degradacijskih in porušnih procesov v materialih, možno v vsakem trenutku oceniti preostalo nosilnost in življenjsko doba kritične komponente na kritičnem mestu. S tem se neposredni pomen raziskav odraža na prihodnji razvoj novih inteligentnih strojev in naprav Industrije 4.0 in 5.0 na različnih področjih od energetike, reaktorsko-energetske opreme do letalske tehnike.
Pomen za razvoj znanosti
Raziskave v okviru programa so predvsem namenjene temeljnem raziskovanju deformacijskega odziva heterogenih materialov na mikroskopskem nivoju na različnih nivojih dinamičnih cikličnih obremenitev. Namenjene so določitvi spremembe stanja površine in lastnosti materiala zaradi obremenitve na osnovi neporušnih in lomnih meritev. Te spremembe stanja materiala temeljijo na zatečenem kvazistabilnem stanju, ki se pod vplivom zunanjih obremenitev skozi čas zaradi cikličnega obremenjevanja spreminjajo. Ključni pomen ima razvoj merilnega sistema za zaznamovanje spremembe stanja površine, saj je le takšen merilni sistem lahko uporabi na konstrukcijski komponenti med obratovanjem. Z razvojem in uporabo periodično trdnostno heterogenih materialov je možno povečati trdnost in nosilnost komponente, saj vsakični prenos deformacij skozi trdnostno heterogena področja prispeva redistribuciji prenosa energije v večji volumen in s tem zmanjša gonilno silo razvoja razpoke. Vzpostavitev numeričnih algoritmov za degradacijske procese s pomočjo peridinamičnih orodij predstavlja novost na področju numerične mehanike kot tudi na področju vpeljave matematičnih operaterjev za reverzibilne procese. Povezovanje mikrostrukturnih parametrov materiala s peridinamičnimi operatorji bo omogočilo oceno kakšno mora biti začetno stanje materiala, da po določenem številu obremenitvenih ciklov še vedno ima zahtevane mehanske lastnosti. Znanstveni pomen se ogleda na področju razvoja peridinamičnih funkcij za prenos deformacijskega polja skozi heterogene materiale, kot tudi določitev spremembe parametrov zaradi spremembe lastnosti in stanja materiala na različnih obremenitvenih nivojih. Razvoj orodij za topološko optimizacijo sistemov predstavlja tudi pomemben korak k optimizaciji merilnega sistema, saj z določitvijo kritičnih točk na konstrukcij, je možno celotno obnašanje komponente spremljati z minimalnim številom senzorjev, s čemer se celotni mehanizmi degradacije materiala neposredno vežejo na ozko območje. Za uspešen nadaljnji razvoj tehnološke izdelave z dodajnimi tehnologijami, poleg karakterizacije mehanskih in fizikalnih lastnosti za določitev optimalnih tehnoloških parametrov izdelave, razvijamo tudi postopke in procedure za termomehansko obdelavo za izboljšanje mehanskih lastnosti ter zmanjševanje nateznih zaostalih napetosti in zagotovitev tlačnih zaostalih napetosti v napetostno kritičnih območjih komponente iz teh materialov. Rezultati teh raziskav bomo omogočili znanstveno odličnost, kako članom programa tako tudi bodočim doktorandom in znanstvenikom.
Pomen za razvoj Slovenije
Raziskave v okviru programa imajo širši družbeni pomen, saj se rezultati lahko uporabijo v različnih gospodarskih subjektih, ki se ukvarjajo z neposredno proizvodnjo materialov, komponent in konstrukcij in merilnih sistemov. Poznavanje sprememba stanja površine materiala v odvisnosti od višine in trajanja obremenjevanja je od odločilnega pomena za vzdrževanje in pravočasno ukrepanje za preprečitev porušitve. Istočasno poznavanje spremembe stanja in deformacijskega odziva ter s tem stopnje degradacije materiala omogoča bolj natančno izvajanje meritev s senzorji med obratovanjem konstrukcije kot mehanskega sistema. Za uvajanje nove senzorske tehnike v okviru programa razvoja industrije 4.0 in kasneje 5.0 bo s pomočjo rezultatov raziskav možno definirati izhodiščno deformacijsko-napetostno stanje materiala ter posneti mehanski odziv komponent, ki so izpostavljene različnim dinamičnim in termičnim obremenitvam. Z dinamičnim zapisom skozi celotno dobo trajanja je možno zagotoviti varno obratovanje komponent kot tudi definirati robne pogoje in mejno stanje obremenitve. Raziskave v okviru programa bodo omogočile implementacijo topološko optimiziranih komponent iz tehnološko visoko-trdnostno heterogenih materialov s povečano odpornostjo na lom (TLR 1-4) in s tem vključitev v znanstveno-raziskovalne projekta v okviru novega delovnega programa Horizon 2027, kakor na področju procesnih tehnologij SPIRE 2030 tako tudi na Ključnih razvojnih tehnologijah Key Enabling Technologies. Karakterizacija mehanskih lastnosti materialov in komponent bo potekala v tem času na najsodobnejši raziskovalni opremi za enoosna ter dvoosna statična in dinamična testiranja v temperaturnem razponu od -80 do +350 C. Raziskave v okviru programa bodo podprte z računalniškim vodenjem eksperimentov in zajemanjem rezultatov, kar omogoča neposredno verifikacijo razvitih modelov in njihov prenos na konstrukcijske komponente in izdelke. V okviru raziskav bo opravljena tudi karakterizacija mehanskih lastnosti pod dvoosnim obremenitvam v fazi in izven faze cikličnih obremenitev. Raziskave predstavljajo tudi sestavni del razvojnega cikla izdelka, saj z digitalnim snemanjem bo omogočeno po postopkih vzvratnega inženirstva narediti model, ki ga bo možno topološko optimizacijo izboljšati. Del raziskav je zamišljen tudi kot sestavni del razvojnega cikla modela, ki ga je možno izdelati s sodobnimi dodajnimi tehnologijami kovin in na to testiral in zagotoviti robne pogoje funkcionalnosti in lastnosti materialov, ki jih rabi izdelek izpolnjevati. Eksperimentalni načrt je zasnovan na način, da omogoči izvajanje kakovostno testiranje materialov in rezultate posreduje v nadaljnjo aplikacijo uporabnikom za ponovno računalniško modeliranje in optimizacijo dokler se ne doseže optimalna ali potrebna karakteristika obnašanja komponente ali izdelka. Ocenjujemo, da s takšnim kombiniranjem temeljnih razvojnih raziskav in aplikativnih eksperimentalnih raziskav bo možno ključno prispevati razvoju ključnih tehnologij na področju digitalizacije in industrije kot tudi uvajanju naprednih materialov v ključne proizvodne tehnologije, saj delo v okviru programa je usmerjeno razvoju in aplikaciji senzorjev za nadzor deformacijskega in dinamičnega obnašanja materialov. S tem bo omogočen razvoj računalniško podprtih digitaliziranih sistemov za zaznamovanje sprememb, kar lahko pomembno prispeva širjenju aplikacij umetne inteligence na stroje in naprave, in sicer na področju samo nastavitev, samo kalibriranja z zaznavanjem višine obremenitve in pomikov pod delovanjem zunanjih delovnih obremenitev. Ocenjujemo, da bodo rezultati raziskav spodbudili strokovnjake z drugih področij, da raziščejo na nano nivojih mehanizme, ki privedejo do spremembe deformacijskega odziva kot tudi lastnosti v zrnih in mikrostrukturi materiala.
