Original title:
Stanovení zbytkové napjatosti metodou vrtání otvoru s využitím MKP
Translated title:
Assesment of residual stress with drilling hole method using FEM
Authors:
Civín, Adam ; Vlk, Miloš (referee) ; Hlavoň, Pavel (advisor) Document type: Master’s theses
Year:
2008
Language:
cze Publisher:
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství Abstract:
[cze][eng]
Zbytková napjatost působící v tělese může i nemusí být z hlediska bezpečnosti přínosná pro danou konstrukci či součást. Cílem této práce není pojednání o možných způsobech vzniku zbytkové napjatosti v materiálech, ani o jeho odstranění, ale je zaměřena na jednu z nejrozšířenějších metod měření zbytkových napětí, jakou je odvrtávací metoda. Abychom mohli stanovit, jak nám tato napjatost ovlivňuje chování materiálu, musíme být schopni určit velikosti těchto napětí a jejich hlavní směry působení. Jak již bylo řečeno, jednou z mnoha metod sloužící k vyhodnocení potřebných informací, je metoda semidestruktivní, a to metoda vrtání otvoru. Tato metoda je tvůrčí podstatou celé práce a dále je omezena pouze na určení homogenního zbytkového napětí pro konečné tloušťky ocelových desek. Jedná se o hookovský, izotropní, lineárně pružný materiál s materiálovými charakteristikami =0,3 a E=2,1[10]^5 MPa. Pro aplikaci této metody je potřeba určit kalibrační koeficienty “a“ a “b“, kterých se dále využívá k co nejpřesnějšímu stanovení zbytkové napjatosti v konkrétní hloubce odvrtaného materiálu, při daném průměru vrtaného otvoru a známé tloušťce odvrtávaného tělesa. Geometrie tělesa je zjednodušena na tvar hranolu s rovinnými povrchovými plochami. Dále je nutné poznamenat, že kalibrační koeficienty jsou stanoveny pouze pro jeden typ tenzometrické růžice RY 61 S, která je v tomto případě nedílnou součástí jak numerického, tak experimentálního stanovení kalibračních koeficientů. Motivací a zároveň požadovaným výsledkem této diplomové práce je podat srozumitelný a ucelený náhled na přesnost, efektivnost a použitelnost kalibračních koeficientů v závislosti na tloušťce tělesa, velikosti vrtaného otvoru, podmínky průchozí a neprůchozí vrtané díry, počtu odvrtaných vrstev a v neposlední řadě na kvalitě a přesnosti tvorby výpočtového modelu. K dosažení těchto výsledků bylo využito simulace zbytkové napjatosti, spojené s výpočtovým modelováním pomocí metody konečných prvků. Výsledky jsou prezentovány v podobě 3D grafů, 2D grafů, tabulek a procentuálních odchylek výsledných hodnot vzhledem k výsledkům z jiných publikací, či s analytickým řešením. Přestože je práce zaměřena na numerické modelování a simulace pomocí MKP, má bohužel i tato metoda několik více či méně podstatných omezení. Mezi ně například patří vliv excentricity vrtaného otvoru vzhledem ke středu tenzometrické růžice, vznik vysokých hodnot redukovaných napětí na čele vyvrtaného otvoru coby koncentrátoru napětí a dále jeho následná plastifikace, vliv geometrických nepřesností otvoru a další. Všechny tyto aspekty, ovlivňující přesnost stanovení kalibračních koeficientů, nelze do numerického modelu v rámci této diplomové práce zahrnout. Blíže je o této problematice pojednáno v rešeršní studii. Dosažené výsledky řešení by měly napomoci k praktickému využití předem stanovených kalibračních koeficientů při určování homogenního napětí po hloubce u různých tloušťek vzorků s požadovanou velikostí a hloubkou odvrtaného otvoru. Všechny uvedené výsledky jsou ale použitelné pouze pro jeden typ tenzometrické růžice, a to konkrétně pro typ RY 61 S firmy HBM.
Residual state of stress in structural materials affect positively or negatively behaviour of component parts. The goal of this scope is not to deal with possible process of creating residual stresses neither about elimination of residual stress, but is focused how to determine magnitude of residual stress by hole-drilling method. We need to know magnitude and direction (angular orientation) of principal stresses to determine how residual state of stress affects behaviour of specimen. The most widely used modern technique for measuring residual stresses is hole-drilling strain-gage method. Hole-drilling method is in scope of this paper and is restricted only for measuring uniform residual stresses of steel specimens with finite dimensions. Structural, linear, elastic and isotropic material model is used with material properties =0,3 and E=2,1[10]^5 MPa. For correct application of this method we need to determine calibration coefficients “a“ and “b“ first. These coefficients are used to determine magnitude and direction of residual stresses in specific depth and diameter of drilled hole for materials with finite dimensions. Geometry and shape of model is simply represented by block with planar faces. Note that numerical determination of calibration coefficients is useful only for one type of strain gauge rosette RY 61 S. Main goals of this thesis are motivation and request to clearly report effectiveness, accuracy and applicability of calibration coefficients in relation to thickness of specimen, dimensions of drilled hole, condition of “through” or “blind” hole and number of drilled increments. High quality and accuracy of created numerical model is necessary too. Numerical simulation of residual stresses by MKP needs to be done to obtain requested results. All results are presented by 3D, 2D graphs and tables and compared with analytical results or results from other authors. Although is this publication focused on numerical modeling using FEM, hole-drilling method has many significant restrictions. The most substantial of them is influence of eccentricity of drilled hole, creation of stress concentration near drilled area and subsequent plastification, influence of geometrical inaccuracy of hole, etc. All these aspects have significant influence of determining calibration coefficients and can not be included into numerical simulation. These problems are closely discussed in background research. All obtained results should be helpful for practical use of calculated calibration coefficients to determine uniform residual stresses of specimens with various thickness and drilled hole. All these results are also applicable only for one type of strain gauge rosette, which is RY 61 S.
Keywords:
ASTM; calibration coefficients; finite element method; Hole-drilling method; relaxed strain; strain gauge rosette; uniform residual stress; variable thickness of specimen; ASTM; homogenní zbytková napjatost; kalibrační koeficienty; metoda konečných prvků; Odvrtávací metoda; proměnná tloušťka vzorku; tenzometrické růžice; uvolněná deformace
Institution: Brno University of Technology
(web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library. Original record: http://hdl.handle.net/11012/25192
guest ::
