|
|
Vliv zbytkových napětí na kontaktní porušování keramických laminátů
German, Roman ; Majer, Zdeněk (oponent) ; Ševeček, Oldřich (vedoucí práce)
Prítomnosť tlakových či ťahových teplotných reziduálnych napätí vo vrstvách keramického laminátu, vznikajúcich dôsledkom rôznej objemovej zmeny materiálov jednotlivých vrstiev pri chladnutí z teploty slinovania, môže výrazne ovplyvniť odolnosť keramiky voči kontaktnému porušeniu. V rámci tejto práce boli vytvorené parametrické 2D MKP modely, na ktorých bol skúmaný vplyv hrúbky kontaktnej vrstvy, veľkosti zvyškových napätí a rozmerov vtlačovaného guľového indentoru na vznik a šírenie kónickej trhliny v povrchovej vrstve laminátu. Pre analýzu kritických podmienok vzniku trhliny bolo použité združené energeticko-napäťové kritérium a pre určenie dráhy šírenia trhliny kritérium maximálneho tangenciálneho napätia. Výsledky výpočtov ukazujú, že tlakové teplotné napätia v povrchovej vrstve zvyšujú kritickú silu potrebnú pre vznik trhliny, zmenšujú jej vzdialenosť od kontaktnej plochy a vedú k vzniku kratších trhlín. Ďalej tieto tlakové napätia zvyšujú odklon smeru ďalšieho rastu trhliny, čo vedie k jej skoršiemu zastaveniu. Ťahové teplotné napätia v kontaktnej vrstve vykazujú presne opačný efekt. Výsledky výpočtov boli porovnané s experimentom, vďaka malému množstvu dostupných meraní je však ich verifikácia čiastočne obmedzená.
|
|
|
Computational modelling of the layered piezoelectric composites and analysis of their electro-mechanical response upon harmonic vibrations
Machů, Zdeněk ; Profant, Tomáš (oponent) ; Ševeček, Oldřich (vedoucí práce)
Currently, a generation of electric power from alternative sources of energy, especially from ambient vibrations, is becoming a very hot topic. Devices converting mechanical energy into an electrical one are called energy harvesters and are often based on the piezoelectric phenomenon. For the optimal adjustment of such an energy converter in the given application, it is necessary to have its computational model, which is able to describe all key aspects of its operation. Thus, this work focuses on the development of such a complex computational tool, which is able to globally describe the electromechanical response of the studied piezoelectric harvester operating in the form of a cantilever multilayer ceramic beam with piezoelectric layers. Such a multilayer structure is subjected to a kinematic excitation during its operation and also contains thermal residual stresses coming from the manufacturing process. The derived computational model utilizes the classical laminate theory to determine the static electromechanical response of the structure. Hamilton’s variational principle and the theory of beam vibrations were employed to obtain electromechanical response of the structure upon steady-state vibrations. The complex computational model is also capable of estimating the apparent fracture toughness of a given multilayer structure using the weight function method. The output of derived computational model is validated with FE simulations and available experimental results. This master’s thesis also presents an application of the derived computational model in the optimization of a particular multilayer beam to obtain maximal electrical power output and to maximize its resistance to surface crack propagation and a potential brittle fracture. This goal is achieved by means of a suitable adjustment of thermal residual stresses in particular layers of the considered structure (controlled by used materials and by thicknesses of particular layers).
|
|
|
Určování mechanických charakteristik materiálů vícevrstvých struktur s využitím metody zvukové rezonance a modální MKP analýzy
Fodor, Ján ; Lošák, Petr (oponent) ; Ševeček, Oldřich (vedoucí práce)
Práca sa zaoberá určovaním mechanických vlastností zložiek kompozitnej keramiky nepriamym spôsobom, konkrétne youngovým modulom pružnosti. Na základe rešeršnej štúdie bolo zistené, že existuje popísaný spôsob určovania elastických vlastností jednej, prípadne aj viacerých zložiek kompozitných viacvrstvých materiálov na základe experimentálnej modálnej analýzy a modálnej analýzy pomocou MKP, prípadne analytických vzťahov. Metóda pomocou MKP bola oskúšaná na keramickom lamináte, kde sa určoval youngov modul pružnosti jednej z jej zložiek. Okrem toho bola snaha určiť youngove moduly pružnosti oboch zložiek materiálu užitím prvých dvoch ohybových vlastných frekvencií. Nepodarilo sa dosiahnuť uspokojivých výsledkov. Citlivostná analýza ukázala, že vrstvy, ktorých youngov modul pružnosti sa určoval sú vzhľadom na svoju malú relatívnu hrúbku v porovnaní s hrúbkou laminátu a pre polohu v lamináte príliš citlivé na malé zmeny vstupných parametrov. Na základe tohoto boli v závere uvedené doporučenia pre vhodnú geometriu skúšobných telies.
|
|
|
Computational modelling of the layered piezoelectric composites and analysis of their electro-mechanical response upon harmonic vibrations
Machů, Zdeněk ; Profant, Tomáš (oponent) ; Ševeček, Oldřich (vedoucí práce)
Currently, a generation of electric power from alternative sources of energy, especially from ambient vibrations, is becoming a very hot topic. Devices converting mechanical energy into an electrical one are called energy harvesters and are often based on the piezoelectric phenomenon. For the optimal adjustment of such an energy converter in the given application, it is necessary to have its computational model, which is able to describe all key aspects of its operation. Thus, this work focuses on the development of such a complex computational tool, which is able to globally describe the electromechanical response of the studied piezoelectric harvester operating in the form of a cantilever multilayer ceramic beam with piezoelectric layers. Such a multilayer structure is subjected to a kinematic excitation during its operation and also contains thermal residual stresses coming from the manufacturing process. The derived computational model utilizes the classical laminate theory to determine the static electromechanical response of the structure. Hamilton’s variational principle and the theory of beam vibrations were employed to obtain electromechanical response of the structure upon steady-state vibrations. The complex computational model is also capable of estimating the apparent fracture toughness of a given multilayer structure using the weight function method. The output of derived computational model is validated with FE simulations and available experimental results. This master’s thesis also presents an application of the derived computational model in the optimization of a particular multilayer beam to obtain maximal electrical power output and to maximize its resistance to surface crack propagation and a potential brittle fracture. This goal is achieved by means of a suitable adjustment of thermal residual stresses in particular layers of the considered structure (controlled by used materials and by thicknesses of particular layers).
|
|
|
Vliv zbytkových napětí na kontaktní porušování keramických laminátů
German, Roman ; Majer, Zdeněk (oponent) ; Ševeček, Oldřich (vedoucí práce)
Prítomnosť tlakových či ťahových teplotných reziduálnych napätí vo vrstvách keramického laminátu, vznikajúcich dôsledkom rôznej objemovej zmeny materiálov jednotlivých vrstiev pri chladnutí z teploty slinovania, môže výrazne ovplyvniť odolnosť keramiky voči kontaktnému porušeniu. V rámci tejto práce boli vytvorené parametrické 2D MKP modely, na ktorých bol skúmaný vplyv hrúbky kontaktnej vrstvy, veľkosti zvyškových napätí a rozmerov vtlačovaného guľového indentoru na vznik a šírenie kónickej trhliny v povrchovej vrstve laminátu. Pre analýzu kritických podmienok vzniku trhliny bolo použité združené energeticko-napäťové kritérium a pre určenie dráhy šírenia trhliny kritérium maximálneho tangenciálneho napätia. Výsledky výpočtov ukazujú, že tlakové teplotné napätia v povrchovej vrstve zvyšujú kritickú silu potrebnú pre vznik trhliny, zmenšujú jej vzdialenosť od kontaktnej plochy a vedú k vzniku kratších trhlín. Ďalej tieto tlakové napätia zvyšujú odklon smeru ďalšieho rastu trhliny, čo vedie k jej skoršiemu zastaveniu. Ťahové teplotné napätia v kontaktnej vrstve vykazujú presne opačný efekt. Výsledky výpočtov boli porovnané s experimentom, vďaka malému množstvu dostupných meraní je však ich verifikácia čiastočne obmedzená.
|
|
|
Určování mechanických charakteristik materiálů vícevrstvých struktur s využitím metody zvukové rezonance a modální MKP analýzy
Fodor, Ján ; Lošák, Petr (oponent) ; Ševeček, Oldřich (vedoucí práce)
Práca sa zaoberá určovaním mechanických vlastností zložiek kompozitnej keramiky nepriamym spôsobom, konkrétne youngovým modulom pružnosti. Na základe rešeršnej štúdie bolo zistené, že existuje popísaný spôsob určovania elastických vlastností jednej, prípadne aj viacerých zložiek kompozitných viacvrstvých materiálov na základe experimentálnej modálnej analýzy a modálnej analýzy pomocou MKP, prípadne analytických vzťahov. Metóda pomocou MKP bola oskúšaná na keramickom lamináte, kde sa určoval youngov modul pružnosti jednej z jej zložiek. Okrem toho bola snaha určiť youngove moduly pružnosti oboch zložiek materiálu užitím prvých dvoch ohybových vlastných frekvencií. Nepodarilo sa dosiahnuť uspokojivých výsledkov. Citlivostná analýza ukázala, že vrstvy, ktorých youngov modul pružnosti sa určoval sú vzhľadom na svoju malú relatívnu hrúbku v porovnaní s hrúbkou laminátu a pre polohu v lamináte príliš citlivé na malé zmeny vstupných parametrov. Na základe tohoto boli v závere uvedené doporučenia pre vhodnú geometriu skúšobných telies.
|
|
|
Vliv reziduálních napětí v keramickém laminátu na šíření trhliny
Máša, Bohuslav ; Zouhar, Michal ; Náhlík, Luboš
The main focus of this contribution is the fracture behaviour of layered ceramics composite – Al2O3/ZrO2. Different ratios of the layers were considered. The residual stresses given by sintering of the composite were identified and were taken into account. Assumptions concerning linear fracture mechanics and small scale yielding are considered. Stress components and displacements in the vicinity of the crack tip were obtained by a numerical modelling using finite element method implemented to the commercial software Ansys. For the determination of the stress intensity factor analytical approach was involved. The paper presented can contribute to the better understanding of the crack propagation through the individual layers.
|
host ::
RSS.