Laboratoř termomechaniky materiálů

Oddělení:   Oddělení D 4 – Rázy a vlny v tělesech
Vedoucí:   Ing. Slavomír Parma, Ph.D.

Laboratoř termomechaniky materiálů byla založena v roce 2018 a svým zaměřením se specializuje převážně na základní teoretický a experimentální výzkum ve strojírenství. Ústředním tématem výzkumu je vývoj konstitutivních modelů materiálů, zejména pak modelů plasticity, a experimentální analýza plasticity kovů. Laboratoř kopletně pokrývá vývoj modelů plasticity počínaje jejich návrhem a analýzou, přes implementaci v komerčních i vlastních MKP kódech, až po verifikaci, validaci a kalibraci.

Kalibrace modelů plasticity se směrovým deformačním zpevněním

Moderní fenomenologické modely plasticity kovů se směrovým deformačním zpevněním [1,2] obvykle zohledňují celou řadu experimentálně pozorovaných jevů a teoretických aspektů modelování, jako jsou např. různé druhy zpevnění, plató na mezi kluzu, termodynamická konzistence nebo konvexnost funkce plasticity [3]. Aby bylo možné splnit veškeré požadavky kladené na kvalitativní vlastnosti vyvíjených modelů, jsou tyto modely obvykle komplexní a nelineární vůči svým materiálovým parametrům. V naší laboratoři jsou vyvíjeny kalibrační algoritmy upravené pro konkrétní modely plasticity tak, aby bylo možné parametry daného modelu co nejsnáze zkalibrovat na základě dat z experimentů [4].

Výzkumný tým

Slavomír Parma, René Marek, Jiří Plešek, Heidi P. Feigenbaum, Yannis F. Dafalias

Spolupráce

Northern Arizona University, Flagstaff, AZ, USA; University of California, Davis, CA, USA

Literatura

[1] H.P. Feigenbaum, Y.F. Dafalias: Simple model for directional distortional hardening in metal plasticity within thermodynamics. Journal of Engineering Mechanics 134 (9), pp.?730–738, (2008). link

[2] J. Plešek, H.P. Feigenbaum, Y.F. Dafalias: Convexity of yield surface with directional distortional hardening rules. Journal of Engineering Mechanics 136 (4), pp.?477–484, (2010). link

[3] S. Parma, J. Plešek, R. Marek, Z. Hrubý, H.P. Feigenbaum, Y.F. Dafalias: Calibration of a simple directional distortional hardening model for metal plasticity. International Journal of Solids and Structures 143, pp.?113–124, (2018). link

[4] S. Parma: Development and Calibration of Elasto-Plasticity Models with Directional Distortional Hardening. PhD thesis. Faculty of Mechanical Engineering, CTU in Prague, Technicka 4, 166 07 Prague 6, Czech Republic, (2018). link

Vývoj anisotropních modelů deformačního zpevnění

Výzkumný tým

René Marek, Vilém Klepač, Zbyněk Hrubý, Jiří Plešek, Yannis F. Dafalias

Spolupráce

Northern Arizona University, Flagstaff, AZ, USA; University of California, Davis, CA, USA

Literatura

[1] R. Marek, J. Plešek, Z. Hrubý, S. Parma, H.P. Feigenbaum, Y.F. Dafalias: Numerical implementation of a model with directional distortional hardening. Journal of Engineering Mechanics (ASCE) 141 (12), pp.?04015048-1–04015048-10, (2015). link

[2] C.A. Welling, R. Marek, H.P. Feigenbaum, Y.F. Dafalias, J. Plešek, Z. Hrubý, S. Parma: Numerical convergence in simulations of multiaxial ratcheting with directional distortional hardening. International Journal of Solids and Structures 126–127, pp.?105–121, (2017). link

[3] R. Marek: Numerical Implementation of Distortional Hardening Models. PhD thesis. Faculty of Mechanical Engineering, CTU in Prague, Technicka 4, 166 07 Prague 6, Czech Republic, (2018). link

Implementace modelů plasticity s deformačním směrovým zpevněním v MKP řešičích

Moderní modely plasticity jsou v laboratoři implementovány do komerčního software Abaqus [1] a do in-house kódu PMD [2]. Verifikace a optimalizace jsou prováděny na sadě úloh a konzervativních benchmarků, jako jsou např. tahová zkouška nebo Cookova membrána. Cílem implementace je jak vlastní analýza implementovaných modelů na reálných problémech, tak podpora jejich průmyslového využití [3,4].

Výzkumný tým

René Marek, Vilém Klepač, Zbyněk Hrubý, Jiří Plešek, Yannis F. Dafalias, Jaroslav Schmidt

Spolupráce

Northern Arizona University, Flagstaff, AZ, USA; University of California, Davis, CA, USA

Literatura

[1] Z. Hrubý: Directional Distortional Hardening – Models’ Parameters Calibration and FE-code Implementation. PhD thesis. Faculty of Mechanical Engineering, CTU in Prague, Technicka 4, 166 07 Prague 6, Czech Republic, (2012). link

[2] J. Plešek, D. Gabriel et al.: PMD—Example Manual. Institute of Thermomechanics of the CAS, Dolejskova 1402/5, 182 00 Prague 8, Czech Republic, (2013). link

[3] R. Marek, J. Plešek, Z. Hrubý, S. Parma, H.P. Feigenbaum, Y.F. Dafalias: Numerical implementation of a model with directional distortional hardening. Journal of Engineering Mechanics (ASCE) 141 (12), pp.?04015048-1–04015048-10, (2015). link

[4] R. Marek: Numerical Implementation of Distortional Hardening Models. PhD thesis. Faculty of Mechanical Engineering, CTU in Prague, Technicka 4, 166 07 Prague 6, Czech Republic, (2018). link

Návrh konstrukcí se značným podílem plastické deformace

Vedle konzervativních modelů plasticity kovů jsou v laboratoři využívány i pokročilé modely implementované v programech Abaqus a PMD [1]. S jejich využitím jsou navrhovány a modelovány konstrukce, u kterých je očekáván značný podíl plastické deformace, nebo u kterých je nezbytné přesně popsat pole napětí a deformace v exponovaných místech [2].

Výzkumný tým

Marko Šori, Slavomír Parma, René Marek, Jaroslav Schmidt

Spolupráce

Faculty of Mechanical Engineering, University of Maribor, Maribor, Slovinsko

Literatura

[1] R. Marek, J. Plešek, Z. Hrubý, S. Parma, H.P. Feigenbaum, Y.F. Dafalias: Numerical implementation of a model with directional distortional hardening. Journal of Engineering Mechanics (ASCE) 141 (12), pp.?04015048-1–04015048-10, (2015). link

[2] M. Šori: Verification tool for UMAT material models in Abaqus. Technical Report. Institute of Thermomechanics of the CAS, Dolejskova 1402/5, 182 00 Prague 8, Czech Republic, (2017).

Vývoj experimentálních metod pro kalibraci modelů plasticity

Korektnost vyvíjených modelů plasticity je nutné ověřovat experimentálně. Nepostradatelným nástrojem je pro tento účel biaxiální zkušební stroj INSTRON pořízený do laboratoře v roce 2019. Zkušební stroj umožňuje provádět mechanické zkoušky strojních součástí při kombinovaném osovém a torzním namáhání, a to až do limitu 100?kN tahového zatížení a tlaku (tj. 10 tun) a do limitu torzního momentu 1?kN?m. Základní experimenty, tedy experimenty spočívající v trasování ploch plasticity materiálů, vyžadují použití metod velmi přesného měření deformace. K tomu jsou používány techniky měření pomocí extenzometrů a tenzometrie. V budoucnu se pro účel přesného vyhodnocování deformace uvažuje o použití inovativní technologie Digital Image Correlation (DIC). V aktuálních experimentech se v rámci Laboratoře termomechaniky materiálů nejčastěji uplatňují tenkostěnná válcová zkušební tělesa. Jedná se o celosvětově nejčastěji používaný typ vzorků pro experimentální trasování ploch plasticity. Uvedená konstrukční geometrie umožňuje podrobit materiál kombinovanému osovému a torznímu zatížení a vnitřnímu zatížení realizovanému prostřednictvím přetlaku hydraulické kapaliny. Díky tomu je možné vyhodnotit tři nezávislé složky deformačního zpevnění materiálu. Uvedený typ vzorků je velmi výhodný také pro navazující únavové zkoušky, jejichž prostřednictvím jsou získávány informace s přímou vazbou na praktickou aplikaci zkoumaných materiálů.

Výzkumný tým

Jan Štefan, Slavomír Parma, René Marek, Vilém Klepač

Spolupráce

Northern Arizona University, Flagstaff, AZ, USA; COMTES FHT a.s., Dobřany

Literatura

[1] S. Parma, C. Ciocanel, H. Seiner, Z. Hrubý: Experiments in directional distortional hardening—Determination of mechanical properties of the S355J0 grade structural steel. Tech. Rep. Z-1527/15, Institute of Thermomechanics of the CAS, Dolejskova 1402/5, 182 00 Prague 8, Czech Republic, (2015). link

[2] S. Parma, J. Plešek, R. Marek, Z. Hrubý, H.P. Feigenbaum, Y.F. Dafalias: Calibration of a simple directional distortional hardening model for metal plasticity. International Journal of Solids and Structures 143, pp.?113–124, (2018). link

Univerzální dvojosý zkušební systém pro kvazistatické a dynamické zkoušení

V roce 2019 byla v Laboratoři termomechaniky materiálů realizována investice do nového dvojosého zkušebního systému od firmy Instron, který představuje technologickou špičku ve své třídě. Zařízení umožní etablovat laboratoř nejen v regionálním, ale také v mezinárodním měřítku, a to díky pokročilému návrhu a řízení experimentů, které starší generace systémů neumožňovaly. Cílem je postupné navyšování portfolia experimentů a vývoj nových metodik pro analýzu nelineárního chování materiálů.

Výzkumný tým

Slavomír Parma, Jan Štefan, Jan Masák, Constantin Ciocanel, Li-Wei Liu, Jiří Plešek

Spolupráce

Northern Arizona University, Flagstaff, AZ, USA; National Cheng Kung University, Tainan, Tchaj-wan

Simulace plastické deformace karbonových nanotrubiček metodami molekulární dynamiky

Ve spolupráci s NCKU na Taiwanu byly pomocí metod molekulární dynamiky numericky simulovány různé dvojosé zatěžovací stavy karbonových nanotrubiček [1]. Ve výsledcích simulací bylo možné explicitně rozlišit mezi elastickým a elasto-plastickým stavem materiálu, což umožnilo definovat plochu plasticity. Zvolená metodika přináší nové možnosti při studiu fenomenologické plasticity materiálů, a to zejména jako komplementární nástroj k experimentální analýze.

Výzkumný tým

Li-Wei Liu, Slavomír Parma

Spolupráce

National Cheng Kung University, Tainan, Tchaj-wan

Literatura

[1] L.-W. Liu, S.-W. Chang, S. Parma: On the cyclic and biaxial behaviour of carbon nanotubes by molecular dynamics simulation. Engineering Mechanics Institute Conference, May 29–June 1, 2018, MIT, Boston, USA, (2018). link

Aplikace metod redukce řádu modelu v inženýrských úlohách

Současný rozvoj numerických metod a dostupné výpočetní síly v kombinaci s potřebami moderního průmyslu katalyzují vývoj čím dál tím komplexnějších modelů. Tyto modely ale mají stále ještě značně vysoké nároky na kapacitu datových úložišť a čas nutný k jejich vyhodnocení. Potřeby průmyslu ale často zahrnují parametrické studie a optimalizace založené na těchto komplexních modelech. V naší laboratoři se specializujeme na aplikace modelů redukovaného řádu založených na vlastním orthogonálním rozkladu s Galerkinovou projekcí na velké úlohy s relevancí pro průmyslovou praxi. S využitím těchto metod je možné dosáhnout značného urychlení vyhodnocení dynamických modelů a parametrických studií komplexních systémů.

Výzkumný tým

Martin Isoz

Projekty

2019–2022
LTAUSA18199
Pokročilé fenomenologické modely plasticity a fázových transformací v moderních inženýrských materiálech

2019–2021
GA19-03282S
Vliv komplexních módů zatěžování na životnost strojních součástí vyrobených metodou 3D tisku

2018–2021
EF16_027/0008500
Podpora zahraničních stáží pracovníků Ústavu termomechaniky AV ČR

2015–2022
EF15_003/0000493
Centrum pro výzkum nelineárního dynamického chování pokročilých materiálů ve strojírenství (CeNDYNMAT)

2015–2017
GA15-20666S
Pokročilé fenomenologické metody plasticity a jejich aplikace v porušování strojních součástí

2014–2016
LH14018
Vývoj, validace a implementace modelů plasticity kovů s kinematickým a směrovým zpevněním

2010–2012
ME10024
Vývoj konstitutivních modelů plasticity ve výpočtové mechanice

Partneři

Comtes FHT