Inverzna metoda za određivanje opterećenja konstrukcijskih elemenata s pukotinom

disertacija

• Naslov (engleski): Inverse method for load identification of structural elements with a crack
• Autor: Ivica Cukor
• Mentor: Zdenko Tonković (mentor)
• Član povjerenstva: Jurica Sorić (predsjednik povjerenstva)
• Član povjerenstva: Zdenko Tonković (član povjerenstva)
• Član povjerenstva: Ivica Kožar (član povjerenstva)
• Ustanova koja je dodijelila akademski / stručni stupanj: Sveučilište u Zagrebu; Fakultet strojarstva i brodogradnje; Zagreb
• Datum i država obrane: 2021-11-26, Hrvatska
• Znanstveno / umjetničko područje, polje i grana: TEHNIČKE ZNANOSTI; Strojarstvo
• Univerzalna decimalna klasifikacija (UDC): 62 - Inženjerstvo. Tehnika. Tehnologija ; 620 - Ispitivanje materijala. Elektrane. Ekonomika energije ; 621 - Strojarstvo. Nuklearna tehnika. Strojevi

Sažetak

Za procjenu cjelovitosti konstrukcije neophodno je poznavanje opterećenja njenih komponenata i parametara pukotine. Kako se nosivost konstrukcije smanjuje tijekom njenog radnog vijeka, prisutnost pukotina može narušiti cjelovitost konstrukcije. Za praćenje rasta pukotine i stanja konstrukcije tijekom njenog radnog vijeka u radu je predložen postupak inverznog modeliranja za identifikaciju nepoznatih opterećenja konstrukcije s pukotinom. Primjenom optičke metode korelacije digitalne slike (DIC) za praćenje deformacija na vanjskim plohama komponente, metode faznog polja (eng. phase-field method) i proširene metode konačnih elemenata (eng. eXtended Finite Element Method – X-FEM) razvijen je i validiran postupak inverznog modeliranja za identifikaciju nepoznatih opterećenja konstrukcija s pukotinama koji omogućuje praćenje stanja konstrukcije tijekom njenog cjelokupnog radnog vijeka, što uključuje proces nastanka pukotine te njenog stabilnog rasta do kritične duljine. Postupak je primjenjiv na linearno-elastično ponašanje materijala i konstrukcije uslijed monotonog opterećenja, kao i cikličkog opterećenja s konstantnim amplitudama. Cilj je bio definirati optimalni broj, razmještaj i orijentaciju tenzometarskih mjernih traka na konstrukcijskoj komponenti koji će za različite veličine i orijentacije pukotina omogućiti što točnije određivanje opterećenja. Analizirane su pukotine različitih dimenzija na različitim ispitnim uzorcima, najprije za slučaj određivanja monotonih opterećenja uz pretpostavku linearno-elastičnog ponašanja materijala, zatim za složen rast pukotina na uzorcima s proporcionalnim i neproporcionalnim načinom opterećivanja i na kraju na ciklički opterećenom uzorku. Verifikacija postupka inverznog modeliranja za identifikaciju nepoznatih opterećenja iz mjerenih deformacija na konstrukciji s pukotinom provedena je na realnoj konstrukcijskoj komponenti, osovinskom rukavcu vjetroagregata, gdje su optimalni broj, razmještaj i orijentacija tenzometarskih traka uspoređena s postavljenim tenzometarskim trakama na osovinskom rukavcu za vrijeme razvoja prototipa vjetroagreata. U odnosu na postojeće pristupe novi postupak za identifikaciju monotonog i cikličkog opterećenja konstrukcije s pukotinama omogućuje točnije definiranje broja, položaja i orijentacije tenzometarskih mjernih traka na realnoj konstrukciji što je od presudne važnosti za unapređenje postojećih monitoring sustava i zaštitu cjelovitosti konstrukcije. Osim toga, točnije definiranje sigurnih režima rada konstrukcije je ulazni podatak za učinkoviti sustav upravljanja, što isto tako može dovesti do produljena radnog vijeka konstrukcije.

Sažetak (engleski)

To assess the integrity of the structure, it is necessary to know the load of its components and crack parameters. The presence of cracks can further reduce integrity of structure, as the load capacity of the structure decreases during its service life. In order to be able to monitor the condition of the structure and crack path, an inverse method procedure has been proposed to identify unknow load on structure with a crack. Using the optical Digital Image Correlation (DIC) method to monitor deformations on the outer surfaces of a structural component, the phase-field modelling and eXtended Finite Element Method (X-FEM), an inverse modeling procedure is developed and validated to identify unknown loads of the structure with cracks. This will enable the monitoring of the condition of the structure throughout its entire service life, including the process of crack initiation and its stable growth to a critical length. This procedure is applicable to the brittle behaviour of the structural material due to monotonic loading as well as cyclic loading with constant amplitudes. The aim was to define the optimal number, positions and orientation of strain gauges on the structural component, which will enable the most accurate determination of the load for different sizes and orientations of cracks. To verify inverse approach, cracks with different dimensions were analysed on different test specimens, first for certain monotonic loads with assumption of the brittle material behaviour, than complex cracks on specimens with proportional and nonproportional loading mode and finally on the sample with variable cyclic load. Verification of the inverse modelling procedure for identification of unknown loads from measured deformations on the structure-containing crack like defect was performed on a real structural component, wind turbine axle pin, where the optimal number, position and orientation of strain gauges were compared with the strain gauges placed on the wind turbine axle pin prototype. The new procedure for identifying the monotonic and cyclic load of the structure with cracks allows more accurate definition of the number, position and orientation of strain gauges on a real structure, which is crucial for improving existing monitoring systems and protecting the integrity of the structure. In addition, a more precise definition of safe modes of operation of the structure according to identified loads is the input for an efficient control system, which can also lead to extended structural life.

• Ključne riječi: inverzno modeliranje; identifikacija opterećenja; tenzometarske trake; krhki lom; pukotina; metoda konačnih elemenata; metoda faznog polja; proširena metoda konačnih elemenata; korelacija digitalne slike
• Ključne riječi (engleski): inverse modelling; load identification; strain gauges; brittle fracture; crack; finite element method; phase-field method; extended finite element method; digital image correlation
• Jezik: hrvatski
• URN:NBN: urn:nbn:hr:235:014007
• Studijski program: Naziv: Strojarstvo i brodogradnja; Vrsta studija: sveučilišni; Stupanj studija: poslijediplomski doktorski; Akademski / stručni naziv: doktor/doktorica znanosti, područje tehničkih znanosti (dr.sc.)
• Vrsta resursa: Tekst
• Način izrade datoteke: Izvorno digitalna
• Prava pristupa: Otvoreni pristup
• Datum i vrijeme pohrane: 2022-02-01 13:44:29