|
|
Influence of the residual stresses on the contact failure of ceramic laminates
German, Roman ; Majer, Zdeněk (referee) ; Ševeček, Oldřich (advisor)
The presence of the compressive or tensile thermal residual stresses in layers of a ceramic laminate induced due to different volume change of each layer´s material during the cooling from the sintering temperature can considerably affect resistivity of ceramics against contact damage. Within this work 2D parametric FEM models were created, in order to study the effect of the surface layer thickness, residual stress values and indenting body dimension on the initiation and propagation of the cone crack in the surface layer of the laminate. For the analysis of the critical conditions for the crack initiation, the coupled stress-energy criterion was used and for the determination of the direction of crack propagation we used the maximum tangential stress criterion. The results show that compressive thermal stresses in the surface layer increase the critical force for the crack initiation, shorten the crack distance from the contact area and shorten the occurred crack itself. Moreover, the compressive stresses enlarge the angle of the crack declination during the propagation process which cause an earlier crack arrest. The tensile thermal stresses have exactly the opposite effect. Results of simulations were compared to experimental results but due to lack of available measurements, the verification is partially limited.
|
|
|
Computational modelling of the layered piezoelectric composites and analysis of their electro-mechanical response upon harmonic vibrations
Machů, Zdeněk ; Profant, Tomáš (referee) ; Ševeček, Oldřich (advisor)
V současnosti je velmi aktuálním tématem generování elektrické energie z alternativních zdrojů, zejména z vibrací. Zařízení, která přeměňují mechanickou energii na elektrickou, využívají často ke své činnosti piezoelektrický jev. Pro optimální nastavení takového elektromechanického měniče pro danou aplikaci je třeba mít k dispozici výpočtový model, který bude schopný postihnout všechny klíčové aspekty jeho provozu. Tato práce se tedy zabývá vytvořením takovéhoto nástroje, který je schopen komplexně popsat elektromechanickou odezvu studovaného piezoelektrického měniče energie v podobě vetknutého, vícevrstvého keramického nosníku s piezoelektrickými vrstvami. Uvažovaná vícevrstvá konstrukce je během své činnosti vystavena kinematickému buzení a je rovněž zatížena tepelnou zbytkovou napjatostí vznikající při její výrobě. Vytvořený výpočtový model využívá klasickou laminátovou teorii k určení statické elektromechanické odezvy dané konstrukce. Elektromechanická odezva při kmitání uvažované konstrukce v ustáleném stavu je získána s využitím Hamiltonova variačního principu a teorie kmitání prutů. Vytvořený výpočtový model je dále schopen odhadnout zdánlivou lomovou houževnatost dané vícevrstvé konstrukce pomocí metody váhových funkcí. Výstupy vytvořeného výpočtového modelu jsou ověřeny s využitím numerických simulací na bázi MKP a dostupných experimentálních výsledků. V diplomové práci je následně vytvořený výpočtový model aplikován při hledání optimálního rozložení jednotlivých vrstev konkrétního vícevrstvého nosníku s cílem maximalizovat jeho elektrický výkon a odolnost vůči šíření povrchových trhlin, resp. vzniku křehkého lomu. Tohoto cíle je dosaženo pomocí vhodného rozložení tepelných zbytkových napětí v jednotlivých vrstvách uvažované konstrukce (řízeného použitými materiály a tloušťkami jednotlivých vrstev).
|
|
|
Determination of the mechanical properties of the multilayer structure materials with utilization of the sonic resonance method and modal FE analysis
Fodor, Ján ; Lošák, Petr (referee) ; Ševeček, Oldřich (advisor)
Thesis deals with determination of layerwise mechanical properties of composite ceramics by indirect method, namely Youngs modulus. Based on literature review, it was found that a method to determine elastic properties of one or more components of multi layered composites based on experimental modal analysis and finite element modal analysis, or analytical approach exists. Method based on FE modal analysis was applied to ceramic laminate, where it was attempt to determine youngs modulus of one component. Beyond that, it was attempt to determine Youngs moduli of both components using first two bending resonant frequencies. Results were unsatisfying. Sensitivity analysis showed that layers with unknown Youngs modulus were overly sensitive to small changes in input parameters due to their small relative thickness with respect to thickness of laminate and due to location in laminate. Based on this conclusion, recommendations were made with respect to suitable geometry of test specimens.
|
|
|
Computational modelling of the layered piezoelectric composites and analysis of their electro-mechanical response upon harmonic vibrations
Machů, Zdeněk ; Profant, Tomáš (referee) ; Ševeček, Oldřich (advisor)
V současnosti je velmi aktuálním tématem generování elektrické energie z alternativních zdrojů, zejména z vibrací. Zařízení, která přeměňují mechanickou energii na elektrickou, využívají často ke své činnosti piezoelektrický jev. Pro optimální nastavení takového elektromechanického měniče pro danou aplikaci je třeba mít k dispozici výpočtový model, který bude schopný postihnout všechny klíčové aspekty jeho provozu. Tato práce se tedy zabývá vytvořením takovéhoto nástroje, který je schopen komplexně popsat elektromechanickou odezvu studovaného piezoelektrického měniče energie v podobě vetknutého, vícevrstvého keramického nosníku s piezoelektrickými vrstvami. Uvažovaná vícevrstvá konstrukce je během své činnosti vystavena kinematickému buzení a je rovněž zatížena tepelnou zbytkovou napjatostí vznikající při její výrobě. Vytvořený výpočtový model využívá klasickou laminátovou teorii k určení statické elektromechanické odezvy dané konstrukce. Elektromechanická odezva při kmitání uvažované konstrukce v ustáleném stavu je získána s využitím Hamiltonova variačního principu a teorie kmitání prutů. Vytvořený výpočtový model je dále schopen odhadnout zdánlivou lomovou houževnatost dané vícevrstvé konstrukce pomocí metody váhových funkcí. Výstupy vytvořeného výpočtového modelu jsou ověřeny s využitím numerických simulací na bázi MKP a dostupných experimentálních výsledků. V diplomové práci je následně vytvořený výpočtový model aplikován při hledání optimálního rozložení jednotlivých vrstev konkrétního vícevrstvého nosníku s cílem maximalizovat jeho elektrický výkon a odolnost vůči šíření povrchových trhlin, resp. vzniku křehkého lomu. Tohoto cíle je dosaženo pomocí vhodného rozložení tepelných zbytkových napětí v jednotlivých vrstvách uvažované konstrukce (řízeného použitými materiály a tloušťkami jednotlivých vrstev).
|
|
|
Influence of the residual stresses on the contact failure of ceramic laminates
German, Roman ; Majer, Zdeněk (referee) ; Ševeček, Oldřich (advisor)
The presence of the compressive or tensile thermal residual stresses in layers of a ceramic laminate induced due to different volume change of each layer´s material during the cooling from the sintering temperature can considerably affect resistivity of ceramics against contact damage. Within this work 2D parametric FEM models were created, in order to study the effect of the surface layer thickness, residual stress values and indenting body dimension on the initiation and propagation of the cone crack in the surface layer of the laminate. For the analysis of the critical conditions for the crack initiation, the coupled stress-energy criterion was used and for the determination of the direction of crack propagation we used the maximum tangential stress criterion. The results show that compressive thermal stresses in the surface layer increase the critical force for the crack initiation, shorten the crack distance from the contact area and shorten the occurred crack itself. Moreover, the compressive stresses enlarge the angle of the crack declination during the propagation process which cause an earlier crack arrest. The tensile thermal stresses have exactly the opposite effect. Results of simulations were compared to experimental results but due to lack of available measurements, the verification is partially limited.
|
|
|
Determination of the mechanical properties of the multilayer structure materials with utilization of the sonic resonance method and modal FE analysis
Fodor, Ján ; Lošák, Petr (referee) ; Ševeček, Oldřich (advisor)
Thesis deals with determination of layerwise mechanical properties of composite ceramics by indirect method, namely Youngs modulus. Based on literature review, it was found that a method to determine elastic properties of one or more components of multi layered composites based on experimental modal analysis and finite element modal analysis, or analytical approach exists. Method based on FE modal analysis was applied to ceramic laminate, where it was attempt to determine youngs modulus of one component. Beyond that, it was attempt to determine Youngs moduli of both components using first two bending resonant frequencies. Results were unsatisfying. Sensitivity analysis showed that layers with unknown Youngs modulus were overly sensitive to small changes in input parameters due to their small relative thickness with respect to thickness of laminate and due to location in laminate. Based on this conclusion, recommendations were made with respect to suitable geometry of test specimens.
|
|
|
Influence of residual stresses in ceramic laminates on the crack propagation
Máša, Bohuslav ; Zouhar, Michal ; Náhlík, Luboš
Příspěvek je zaměřen na lomové chování vrstevnatých keramických kompozitů – Al2O3/ZrO2. Byly uvažovány rozdílné tloušťky vrstev. Reziduální napětí získané v průběhu slinovacího procesu bylo zjištěno a předepsáno v modelech. Byly předpokládány podmínky k nasazení lineární elastické lomové mechaniky. Složky napětí a přetvoření v blízkosti kořene trhliny byly získány numerickým modelováním metodou konečných prvků implementovanou v komerčním software Ansys. K určení součinitele intenzity napětí byly použity analytické vztahy. Článek může přispět k lepšímu porozumění propagace trhliny mezi jednotlivými vrstvami.
|
guest ::
