Výzkumný záměr - Výzkumný a zkušební ústav Plzeň s.r.o.

Transkript

3
VYZ 0729/2004
OBSAH
Předmluva ………………………………………………………………….….…….. 4
Kasl, J. – Strejcius, J. – Koc, J. – Jandová, D.:
1. Strukturní aspekty studia degradace materiálů energetických zařízení
……………
6
Mentl, V. – Andrlová, I. – Kanta, V.:
2. Hodnocení procesů degradace konstrukčních materiálů
s cílem stanovení zbytkové životnosti konstrukcí ………………………………… 18
Václavík, J. – Chvojan, J. – Német, J. – Kotas, M. – Kepka, M.:
3. Degradace materiálů a konstrukčních uzlů při dynamickém provozním zatěžování .. 30
Chmelíček, M. – Hyrát, J. – Horák, V.:
4. Rozvoj metod únavových zkoušek s aplikací na oběžné lopatky rotačních strojů
k poznání stavu degradace materiálu ……………………………………………… 45
Enžl, R. – Houdková, Š. – Zahálka, F.:
5. Vliv aplikace žárově stříkaných povlaků na změny funkčních vlastností
povlakovaných součástí ……………………………………………………………
51
Franče, P.:
6. Studium stárnutí materiálu pomocí metody dilatometrie …………………………… 60
Hejman, M. – Jankovec, J. – Kindelmann, P. – Smola, M.:
7. Postupy a metody hodnocení vlivu degradace materiálu
na jeho únavové vlastnosti ………………………………………………………… 67
Polach, P. – Hajžman, M.:
8. Využití multibody simulací v oblasti dopravního a energetického strojírenství …… 80
9. Seznam dílčích úkolů ……………………………………………………………….. 88
4
VYZ 0729/2004
PŘEDMLUVA
Cílem výzkumného záměru MSM 4771868401 „Výzkum provozní degradace
perspektivních konstrukčních materiálů“, který byl schválen MŠMT ČR pro řešení ve
ŠKODA VÝZKUM s.r.o. v letech 2004 až 2008, je rozvoj stávajících a vývoj nových
metodik podávajících komplexní popis degradace nových typů materiálů používaných
při výrobě strojních zařízení, konstrukcí a jejich komponent používaných v energetice a
v dopravních systémech.
Aplikační zaměření ŠKODA VÝZKUM s.r.o. podepřené moderní experimentální a
výpočtovou základnou umožňuje sledovat a vyhodnocovat vliv prakticky celé škály
potenciálních faktorů působících na degradaci vlastností materiálů. Laboratorní a provozní
měření a výpočty konstrukčních uzlů i celých konstrukcí jsou podporovány rozbory
základních materiálů (chemické složení, mechanické a fyzikální vlastnosti a mikrostruktura).
S ohledem na působení ŠKODA VÝZKUM s.r.o. zejména v segmentech energetického a
dopravního strojírenství je výzkumný záměr MSM 4771868401 je zaměřen zejména do těchto
oblastí:
- Hodnocení stupně degradace mechanických vlastností vybraných konstrukčních
materiálů po aplikovaném mechanickém a mechanicko-tepelném namáhání
v laboratorních podmínkách. Konfrontace laboratorních výsledků s reálně
degradovanými strukturami.
- Korelace stavu a rozvoje substruktury a žárupevných vlastností svařenců nových 9-12
% Cr ocelí a nízkolegovaných ocelí vyvíjených pro tepelné elektrárny s nadkritickými
parametry vstupní páry.
- Hodnocení zbytkové životnosti perspektivních materiálů používaných v tepelných
elektrárnách na základě rozboru mikrostruktury a submikrostruktury materiálů,
měřením elektrochemických parametrů a magnetostrikčních vlastností.
- Hodnocení vlivu aplikace žárově stříkaných povlaků odolných proti opotřebení, korozi
a teplotní degradaci na změny funkčních vlastností povlakovaných součástí.
- Experimentální a výpočtové hodnocení zbytkové životnosti na základě
nízkocyklových a vysokocyklových únavových vlastností materiálů a provozních
spekter namáhání.
- Vypracování postupu pro stanovení degradace mechanických vlastností materiálů
oběžných lopatek turbin vlivem působení dynamických sil.
- Stanovení vlivu vysokých frekvencí na porušování spojů částí konstrukce.
5
VYZ 0729/2004
V této výzkumné zprávě jsou strukturovaně popsány dílčí úkoly výzkumného záměru
MSM 4771868401, které byly definovány na základě rešeršní etapy řešení výzkumného
záměru. Dílčí úkoly výzkumného záměru byly v prvním pololetí roku 2004 interně schváleny
odpovědným řešitelem výzkumného záměru Dr. Ing. P. Polachem i ředitelem společnosti Ing.
M. Kepkou, CSc.
Tento materiál umožní detailní interní kontrolu plnění cílů výzkumného záměru. Není
přitom chápán jako statický, ale bude v průběhu řešení výzkumného záměru postupně
zpřesňován tak, aby realizací definovaných dílčích úkolů došlo naplnění hlavního cíle
výzkumného záměru (deklarovaného v přihlášce projektu do veřejné soutěže) a tím je
vypracování a aplikace zejména těchto metodik:
- Hodnocení stupně degradace mechanických vlastností konstrukčních materiálů,
zejména korelace výsledků destruktivních a nedestruktivních experimentálních
postupů.
- Hodnocení stupně poškozování konstrukcí a konstrukčních prvků vlivem různých
provozních podmínek.
- Predikce nepříznivých projevů degradačních procesů probíhajících v materiálu,
z něhož je konstrukce nebo konstrukční prvek vyroben.
- Hodnocení zbytkové životnosti konstrukcí a konstrukčních prvků.
6
VYZ 0729/2004
1. STRUKTURNÍ ASPEKTY STUDIA DEGRADACE
MATERIÁLŮ ENERGETICKÝCH ZAŘÍZENÍ
RNDr. Josef Kasl, CSc., Ing. Josef Strejcius, Ing. Jaroslav Koc,
RNDr. Dagmar Jandová, Ph.D.
1.1 Úvod
Dílčí úkoly jsou orientovány zejména do oblasti tepelných elektráren a zabývají se
monitorováním a vyhodnocováním projevů degradace materiálů komponent energetických
zařízení a ověřováním nových materiálů vykazujících pro dané výrobní technologie zlepšení
odolnosti vůči jednotlivým degradačním procesům. Pozornost je věnována zejména působení
creepového a korozního porušení, sledovány jsou však i projevy únavového poškození a
porušení křehkým lomem.
V zásadě lze práce rozdělit do čtyř dílčích úkolů:
- Využití endoskopie při zjišťování defektů v jinak nepozorovatelných částech povrchů
zařízení.
- Elektrochemická polarizační měření degradačních procesů exploatovaných materiálů.
- Mikrostrukturní změny svarových spojů během creepu.
- Vytvoření etalonové stupnice pro hodnocení změn mikrostruktury během provozu
vybraných dílů a uzlů.
7
VYZ 0729/2004
1.2 Rešerše - popis výchozího stavu, trendy a směry výzkumu
Databáze povrchových vad zjišťovaných endoskopem
Spolehlivost provozu energetických zařízení závisí mimo jiné i na předcházení vzniku a na
rozvoji materiálových defektů. K tomuto účelu může významným způsobem přispět
i nedestruktivní kontrola stavu zařízení, zejména nepřístupných povrchů, vizuální
endoskopickou metodou [1/1]. Cílem je zjistit skutečný stav vybraných částí zařízení se
zaměřením na výskyt defektů, korozního či erozního opotřebení nebo mechanického
poškození atd. Endoskopie je moderní diagnostickou disciplinou, využívanou především
v lékařství a průmyslu, která se používá při kontrole, při níž je nutné rozeznat na povrchu
zkoušených objektů detaily, které nejsou přímou vizuální zkouškou pozorovatelné, nebo se
jedná o povrch obtížně přístupný. Podle konstrukce lze rozlišit dva typy endoskopů: pevné
endoskopy (tzv. boroskopy) a flexibilní endoskopy (tzv. fibroskopy). Endoskopy umožňují
provádět bezdemontážní prohlídky (případně jen omezené úpravy). Defektoskopická šetření
výrazně zkracují termíny oprav, kontrol nebo odstávek v provozu. Informace má přitom tu
nejpřirozenější formu - obraz. Aparatura je okamžitě použitelná, mobilní a relativně lehce
ovladatelná. K endoskopu lze připojit klasický nebo digitální fotoaparát, průmyslovou kameru
nebo digitální videosystém, který umožňuje archivaci endoskopických záznamů v počítači,
jejich dodatečné zpracování a především jejich proměřování. Rozsáhlé softwarové vybavení
např. umožňuje měřit skutečné rozměry předmětů v reálném trojrozměrném prostoru
a eliminovat tím zkreslení vznikající vlivem perspektivy. Tím výrazně roste přesnost
interpretace a vyhodnocování měření a vznikají možnosti dalších aplikací. K dispozici je i
další bohaté příslušenství včetně zaváděcích trubic nebo mechanických manipulátorů, které
lze připevnit k sondě a provádět jimi jednoduché mechanické úkony uvnitř vyšetřované
oblasti (např. stěry z povrchu nebo odběr úsad či korozních produktů pro další analýzu).
Hlavními výhodami, které přináší použití endoskopů, jsou proto zejména úspora času,
zvyšování bezpečnosti a spolehlivosti a kvality zařízení.
Nejčastějšími oblastmi využití průmyslových endoskopů jsou bezdemontážní prohlídky
turbín, motorů, převodovek, trubek a potrubních systémů, tlakových nádob, kotlů a nádrží,
odlitků, dutých kovových konstrukcí aj. Inspekce a diagnostika pomocí endoskopů se
zaměřuje především na výskyt mechanických vad, stupeň opotřebení, stav a postup korozního
či erozního poškození, kvalitu svarových spojů (zejména v oblasti kořene), kvalitu
opracování, povrchovou úpravu, zanášení a průchodnost trubek apod. Řadu zařízení lze
kontrolovat přímo za chodu, tj. v nezměněných provozních podmínkách.
Ve ŠKODA VÝZKUM s.r.o. dosud takové zařízení nebylo k dispozici a bylo zakoupeno
(v rámci řešení výzkumného záměru) začátkem roku 2004 (systém je samozřejmě již
prakticky využíván).
8
VYZ 0729/2004
Studium degradace materiálů elektrochemickými metodami
V procesu dlouhodobé provozní exploatace podléhají materiály změnám, jejichž
důsledkem je pokles plastických a křehkolomových charakteristik, iniciace a růst defektů
a celková degradace užitných vlastností. Vlivem účinků pracovního prostředí též velmi často
dochází k různým formám korozního poškození zařízení nebo jeho částí. Míra degradace je
závislá jak na výchozích vlastnostech materiálů a výrobní kvalitě dílů, tak na době provozu a
na konkrétních provozních podmínkách daného zařízení. Skutečná doba provozu
energetických zařízení téměř vždy přesahuje konstrukční předpoklady a současný nástup
obnovitelných zdrojů energií navíc nutí provozovatele klasických tepelných elektráren
pracovat stále častěji v režimu nestálého výkonového zatížení s negativními dopady na
provozní životnost a spolehlivost. V současnosti používané metody hodnocení aktuálního
stavu energetických zařízení a postupy stanovení zbytkové životnosti jsou empirické
a subjektivní a vyžadují další vývoj. Pro kvalifikované rozhodování o dalším provozu, včetně
stanovení doby do vyčerpání životnosti s vyloučením rizik nepředvídatelných provozních
poruch, je potřeba celá řada technických informací. Důležitými daty v tomto rozhodování jsou
i údaje o provozním prostředí a aktuálním stavu materiálu zařízení a důkladná znalost
mechanismů degradace materiálových vlastností za podmínek působení provozního prostředí.
Užitečnými technikami pro získávání relevantních dat o degradaci materiálových
vlastností, stavu funkčních povrchů a interakce provozního prostředí jsou elektrochemická
polarizační měření (viz např. [2/1] a [3/1] s dalšími odkazy). Tyto techniky umožňují
objektivní hodnocení odolnosti legovaných ocelí a slitin proti lokálním formám korozního
napadení. Z měření polarizačních křivek a testu elektrochemické reaktivace lze usuzovat na
odolnost proti důlkové korozi, mezikrystalové korozi po tepelném či radiačním zcitlivění
nebo náchylnosti ke koroznímu praskání. Výhodou je, že se jedná o měření málo invazivní,
aplikovatelná jak formou laboratorních zkoušek na odebraných vzorcích, tak formou „insitu“. Elektrochemická impedanční měření se výrazně uplatňují v oblastech hodnocení
nátěrových systémů a protikorozních povlaků a korozním monitoringu energetických a
chemických zařízení. Současná úroveň této techniky a dostupnost výkonného měřícího
vyhodnocovacího software umožňují nasadit tuto techniku i při studiu degradačních procesů
spojených s dlouhodobým působením vysokých teplot, ať už při řešení problémů
vysokoteplotní koroze nebo sledováním změn při dlouhodobé exploataci.
Ve ŠKODA VÝZKUM s.r.o. byly v této oblasti již provedeny poměrně rozsáhlé
experimentální práce. K měření je využívána upravená aparatura Amel 2051 pronajímaná ze
ZČU v Plzni. V roce 2005 bude zahájeno budování vlastního moderního experimentálního
vybavení.
9
VYZ 0729/2004
Vývoj mikrostruktury svarových spojů progresivních ocelí při creepovém
zatěžování
Stoupající ceny paliv a tlak na snížení emisí nutí přední světově výrobce energetických
zařízení k modernizaci energetických centrál spočívající zejména ve zvýšení účinnosti, větší
provozní pružnosti, v prodloužení životnosti a v ekologicky co nejméně závadném provozu.
Cílů spojených se zlepšením účinnosti lze dosáhnout zvýšením vstupních parametrů páry,
s čímž je neoddělitelně spojeno zlepšení stávajících materiálů ve směru zvýšení jejich
užitných vlastností, zejména pevnosti a houževnatosti, žárupevnosti, odolnosti proti
vysokoteplotní oxidaci a proti únavovému porušování.
Řešení materiálové problematiky parních turbín s nadkritickými parametry páry se týká
především nejvíce exponovaných dílů, kterými jsou:
- vysokotlaké a středotlaké rotory a lopatky,
- vysokotlaká a středotlaká vnitřní tělesa a tělesa ventilů,
- vnitřní šrouby VT a ST těles a ventilových komor,
- trubky parovodů a přehříváků.
Zvládnutí materiálové problematiky těchto kritických dílů pro zvýšené provozní teploty v
celé šíři je záležitostí velice nákladnou a pro jednotlivého výrobce energetických zařízení
téměř nerealizovatelnou. Proto dochází ke sdružování výzkumných kapacit, zabývajících se
touto problematikou nejen v národních, ale i mezinárodních měřítcích. Zatímco v 60. letech
minulého století byly parametry ocelí západoevropské a americké provenience přibližně
stejné, vývoj v následujícím období se odehrával ve znamení předstihu USA a Japonska. Od
začátku 80. let začaly snahy evropských výrobců o intenzivní vzájemnou spolupráci ve
výzkumu, jehož jádro bylo ve vývoji nové generace žáropevných 9 – 12 % Cr ocelí. Většina
těchto aktivit probíhala v rámci projektů EU COST. Jako zatím poslední proběhl od roku
1999 mezinárodní projekt COST 522 “Ultra Efficient Low Emission Power Plants”. Program
trval 5 let, organizačně byl dělen na tři skupiny - parní turbíny, plynové turbíny a pomocné
aktivity. Hlavními cíly v oblasti moderních parních turbín byly vývoj a ověření vhodných
materiálů, zejména na bázi feriticko-martenzitických ocelí pro vstupní teploty páry až 650 °C,
tlak větší než 300 bar a účinnost 50 %. Projekt navázal na řešení započatá v rámci projektu
COST 501 a vedle experimentálního vývoje nových perspektivních materiálů byl zaměřen na
hodnocení a ověřování poloprovozních výkovků a odlitků (rotorů, skříní, trubek, ventilů a
šroubů) ve spojení s prověřováním technologie výroby, kvality, homogenity vlastností v
objemu kovu a stability užitných hodnot. Důraz byl kladen na objasnění podstaty
zpevňujících mechanizmů a mikrostrukturní stability konstrukčních materiálů za zvýšených
teplot. K aktivitám v oblasti materiálů pro parní turbíny patřilo materiálové modelování a
studium zbytkové životnosti provozovaných materiálů.
10
VYZ 0729/2004
Společnost ŠKODA VÝZKUM s.r.o. se do těchto aktivit úspěšně zapojila od začátku 90.
let [4/1]. V návaznosti na dříve získané výsledky proběhne v rámci výzkumného záměru
studium vývoje mikrostruktury svarových spojů používaných při svařování částí parních
turbín, které patří z hlediska degradace vlastností materiálu během provozu ke kritickým
místům turbíny. Stále se zvyšující parametry páry (teplota i tlak) vedou k urychlení
precipitačních procesů v materiálu, které probíhají odlišně v různých částech svarového spoje
a mohou způsobit nukleaci a šíření trhlin. Precipitaci je tedy nutno zkoumat cíleně v předem
vytypovaných lokalitách, kde lze předpokládat vznik nežádoucích struktur. V návaznosti na
mikrostrukturní rozbor lze potom upravit technologii svařování tak, aby výskyt oblastí
náchylných k tvorbě trhlin byl vyloučen.
Simulace precipitačních procesů za podmínek blízkých provozu turbíny se již provádí
pomocí creepových zkoušek homogenních svarových spojů oceli P91 za teplot 525 °C až 625
°C. Další dlouhodobé zkoušky při teplotách do 650 °C budou pokračovat v rámci
výzkumného záměru. Stav materiálu po creepové expozici bude sledován pomocí světelné,
řádkovací a transmisní elektronové mikroskopie. Repliky a fólie pro transmisní elektronovou
mikroskopii budou zhotovovány cíleně z kritických lokalit. Pozornost bude věnována stavům
vznikajících ve svarech litých skříní s litými nebo tvářenými hrdly pro nízko- i vysokolegované oceli.
11
VYZ 0729/2004
Etalonová stupnice pro hodnocení degradace mikrostruktury materiálů
energetických zařízení
Komponenty podrobené creepovému namáhání mají omezenou životnost v důsledku vlivu
zvýšené teploty a napětí vedoucím ke změnám struktury materiálu. Vzhledem ke creepové
expozici se u nízkolegovaných Cr – Mo ocelí nejvíce sledují:
- vývoj mikrostruktury (tendence ke sferoidizaci perlitu/bainitu),
- formování kavit na hranicích zrn,
- vývoj karbidů (zhrubnutí precipitátu ve feritické matrici a na hranicích zrn,
reprecipitace, změna mezičásticové vzdálenosti, vývoj denudovaných zón podél hranic
zrn).
Pro popis těchto změn byla v 70. letech vypracována 6-stupňová Neubauerova etalonová
řada, která byla rozpracována na několika pracovištích do různě modifikovaných
a zpřesňujících stupnic. Jednotlivým stupňům poškození je přiřazována i očekávaná zbytková
životnost (první detekce kavit v polovině životnosti). Tyto etalony však prakticky nezahrnují
změny mikrostruktury. Jím byla věnována pozornost celé řady prací pro jednotlivé případy
materiálů, jejich výrobního postupu a případně i provozních podmínek, v nichž se sledovaly
různé charakteristiky (fázové a chemické složení precipitátu, morfologie, velikostní
a prostorové rozložení precipitátu atd.). V poměrně málo častých studiích z provozních situací
se většinou využívala ke sledování mikrostruktury metoda replik, díky své malé invaznosti
(narušení integrity zkoumaných dílů).
ŠKODA VÝZKUM s.r.o. má dlouholeté bohaté zkušenosti se sledováním a hodnocením
mikrostruktury v provozu. Nicméně systematické zpracování těchto výsledků a aplikace
nových technik (kvantitativní popis mikrostruktury metodami obrazové analýzy, řádkovací
elektronové mikroskopie a transmisní elektronové mikroskopie tenkých fólií) nebylo dosud
provedeno. V dílčím úkolu bude s využitím těchto metod vytvořena stupnice pro hodnocení
degradačních procesů pro materiály VT rotorů na bázi oceli 16 236.
[1/1] Koc, J.: Technologie endoskopického zkoušení a její přínos pro hodnocení zbytkové
životnosti hlavních komponent parních turbín. Výzkumná zpráva ŠKODA VÝZKUM
s.r.o., VYZ 0606/2002, Plzeň, 2002.
[2/1] Strejcius, J.: Elektrochemická diagnostika a nedestruktivní hodnocení korozního
napadení. Výzkumná zpráva ŠKODA VÝZKUM s.r.o., VYZ 0603/2002, Plzeň, 2002.
[3/1] Strejcius, J.: Elektrochemické potenciodynamické polarizační křivky žárupevných
ocelí. Výzkumná zpráva ŠKODA VÝZKUM s.r.o., VYZ 0665/2003, Plzeň, 2003.
[4/1] Jandová, D. – Kasl, J.: Kvantitativní mikrostrukturní rozbor 10 % Cr ocelí se zvýšenou
creepovou odolností. Výzkumná zpráva ŠKODA VÝZKUM s.r.o., VYZ 0629/2002,
Plzeň, 2002.
12
VYZ 0729/2004
1.3 Dílčí úkoly
Dílčí úkol č. 1.1:
Databáze povrchových vad zjišťovaných endoskopem
Zodpovědný řešitel dílčího úkolu: Ing. Jaroslav Koc
Anotace
Vypracovat databázi indikací zjištěných endoskopickou prohlídkou defektních míst
u komponent energetických zařízení v korelaci s poznatky získanými dalšími
nedestruktivními (UZ zkoušení, replikační technika sledování mikrostruktury atd.), a případně
i destruktivními zkouškami (chemický rozbor, stanovení mechanických parametrů,
mikrostrukturní rozbor, fraktografický rozbor atd.). Tento neustále se rozšiřující soubor
poznatků by měl být vodítkem a pomocníkem při dalších videomikroskopických
pozorováních na provozovaných energetických zařízeních. Vedlejším cílem, byť ne
realizovaným v rámci výzkumného záměru, by měla být akreditace metody.
Plánované období řešení dílčího úkolu: 2004 – 2008
Popis prací prováděných v roce 2004:
Studium příslušné problematiky v literatuře s vypracováním rešeršního podkladu (1 9/2004).
Základní osvojení praktické práce s endoskopem (1 – 12/2004).
Vypracování kostry databázového systému pro archivace všech relevantních údajů
(11/2004).
Provádění konkrétních pozorování a měření (průběžně).
Vypracování shrnujících podkladů pro průběžnou zprávu z řešení výzkumného záměru
(11/2004).
Popis prací prováděných v letech 2005 – 2008:
Zpracovávání výsledků jednotlivých kontrol a průběžné doplňování databáze; shrnutí
postupu do průběžných a závěrečné zprávy.
Zajištění vzorků:
Vzorky a poznatky defektních míst budou získávány při pracích na komerčních zakázkách
z výroby i při prohlídkách zařízení na elektrárnách.
13
VYZ 0729/2004
Studium degradace materiálů elektrochemickými metodami
Zodpovědný řešitel dílčího úkolu: Ing. Josef Strejcius
Anotace
Hlavním cílem úkolu v oblasti elektrochemických polarizačních měření je realizace
a ověření pokročilé přenosné elektrochemické aparatury pro hodnocení degradace
materiálových vlastností energetických zařízení v důsledku dlouhodobého provozu, vhodné
pro měření mimo laboratoř, např. při plánovaných revizních odstávkách. Dalším cílem úkolu
je stanovení elektrochemických charakteristik exploatovaných materiálů a korelace těchto
hodnot s dalšími daty charakterizujícími poškození materiálu (změny mechanických a
křehkolomových vlastností, vývoj mikrostruktury a submikrostruktury atd.). Soubory
takovýchto systematizovaných dat by umožňovaly kvalifikované odhady proběhlých změn, a
potažmo i zbytkové životnosti jednotlivých komponent, na základě elektrochemických měření
prováděných formou „in-situ“.
Studium příslušné problematiky v literatuře s vypracováním rešeršního podkladu (1 9/2004).
Vypracování nástinu přehledu vzorků, na kterých budou prováděna měření v roce 2004
(6/2004).
Vypracování systému pro archivaci a databázové zpracování výsledků vlastních
elektrochemických měření a dalších relevantních údajů o sledovaných vzorcích (původ
vzorků, jeho historie a vlastnosti – složení, mikrostruktura, mechanické vlastnosti atd.)
(11/2004).
Marketinková studie k realizaci mobilní aparatury (12/2004).
(11/2004).
Realizace přenosné aparatury. Měření elektropolarizačních křivek na stacionárním
zařízení, korelace výsledků s dalšími vlastnostmi materiálu – chemickým složením,
mikrostrukturou, mechanickými a křehkolomovými vlastnostmi. Zpracování a archivace
výsledků. Sestavení podkladů pro průběžné zprávy z řešení výzkumného záměru.
14
VYZ 0729/2004
Ověření přenosné aparatury v provozních podmínkách. Měření elektropolarizačních křivek
na stacionárním zařízení, korelace výsledků s dalšími vlastnostmi materiálu – chemickým
složením, mikrostrukturou, mechanickými a křehkolomovými vlastnostmi. Zpracování a
archivace výsledků. Sestavení průběžné a závěrečné zprávy.
Zdrojem materiálu s definovanými vlastnostmi budou jednak akce COST (COST 536:
hlavně nové perspektivní 9 % chromové oceli pro zvýšené nebo nadkritické parametry
páry, ve stavu po výrobě a po zkouškách tečení, tj. po definované tepelně-napěťové
expozici, popř. dlouhodobém žíhání), klasické CrMoV (popř. CrMoVW) oceli, vzorky
z vyřazených VT skříní a rotorů ŠKODA shromážděných v rámci řešení projektu
106/97/0752 GAČR „Provozní spolehlivost a degradační procesy energetických zařízení“.
15
VYZ 0729/2004
Vývoj mikrostruktury svarových spojů progresivních ocelí při creepovém
zatěžování
Zodpovědný řešitel dílčího úkolu: RNDr. Dagmar Jandová, Ph.D.
Anotace
Hlavním cílem je pochopení podstaty zpevňujících mechanismů (creepové pevnosti)
a mikrostrukturní stability – průběhu strukturních změn (dlouhodobé žáropevnosti)
svarových spojů progresivních materiálů používaných k výrobě komponent parních turbín.
Výsledky studia budou sloužit k výběru nejvhodnějších kombinací materiálů a
technologických postupů při výrobě, zajišťujících požadované parametry pro vybrané díly a
uzly.
Obsáhlá literární rešerše sledované problematiky (1 - 9/2004).
Vytypování studovaných stavů, systematizace sledovaných vzorků (6/2004).
Konkrétní měření na dostupných vzorcích (průběžně).
(11/2004).
Fraktografické rozbory a studium mikrostruktury metodami světelné a elektronové
mikroskopie a mikroanalýzy svarových spojů v základním stavu a po creepové expozici.
Zpracování výsledků a korelace s žárupevnými vlastnostmi. Zpracování průběžných a
závěrečné zprávy.
Budou použity vzorky z běžících úkolů VTR ŠKODA POWER s.r.o. a z dřívějších i nově
plánovaných projektů COST 536.
16
VYZ 0729/2004
Etalonová stupnice pro hodnocení degradace mikrostruktury materiálů
Zodpovědný řešitel dílčího úkolu: RNDr. Josef Kasl, CSc.
Anotace
Vypracovat etalonovou stupnici pro hodnocení degradačních změn mikrostruktury
během dlouhodobého provozu vybraných kombinací materiálů, dílů a pozic u parních turbín.
Pomocí stupnice z nedestruktivního sledování mikrostruktury objektivně hodnotit rozvoj
degradace materiálu a zbytkové životnosti.
Literární rešerše sledované problematiky (1 - 9/2004).
Vytypování sledovaných vzorků a jejich zajištění (6/2004).
Sledování mikrostruktury na dostupných vzorcích (průběžně).
(11/2004).
Sledování mikrostruktury na vybraných místech turbín podle možností daných generálními
opravami turbosoustrojí. Zpracování výsledků a jejich využití jako podkladů pro vytvoření
etalonové stupnice. Zpracování průběžných zpráv.
Vypracování etalonové stupnice.
Zajištění vzorků
Budou použity vzorky z dřívějších zakázek a dostupné vzorky ze ŠKODA POWER s.r.o.
17
VYZ 0729/2004
1.4 Zhodnocení významu dílčích úkolů
Plánované práce v rámci dílčích úkolů č. 1.1 až č. 1.4 jsou směrovány pro rozvoj metodik
potenciálně (dílčí úkol č. 1.1) či přímo (dílčí úkoly č. 1.2 až č. 1.4) využitelných ve
v segmentu energetického strojírenství, v oblasti parních turbín (ve skupině ŠKODA např. ve
společnosti ŠKODA POWER s.r.o.).
Dílčí úkol č. 1.3 přímo navazuje na vývojovou činnost v oblasti nových ocelí využitelných
v parních turbínách se zvýšenými parametry vstupní páry, se kterými se počítá, resp. jsou již
nyní využívány výrobci parních turbín.
Dílčí úkol č. 1.4 přímo zapadá do v současné době rozvíjeného programu pro ČEZ a.s.,
jehož cílem je umožnit klasifikaci zbytkové životnosti jednotlivých komponent energetických
zařízení.
18
VYZ 0729/2004
2. HODNOCENÍ PROCESŮ DEGRADACE
KONSTRUKČNÍCH MATERIÁLŮ S CÍLEM STANOVENÍ
ZBYTKOVÉ ŽIVOTNOSTI KONSTRUKCÍ
Doc. Ing. Václav Mentl, CSc., Bc. Ivana Andrlová, Ing. Václav Kanta
2.1 Úvod
Degradaci mechanických vlastností konstrukčních materiálů je možno definovat jako
zhoršení původních mechanických vlastností, které byly brány v úvahu při návrhu a
dimenzování konstrukcí, výpočtech jejich životnosti, spolehlivosti a bezpečnosti.
Základním inženýrským problémem degradace mechanických vlastností vlivem působení
externích faktorů je zvyšování sklonu materiálů a konstrukcí k porušení křehkým lomem. V
některých případech se jedná o nevyhnutelné zhoršení mechanických vlastností v důsledku
jejich „zabudování“ do určité konstrukce (víceosá napjatost, konstrukčně nevyhnutelné vruby,
svařování apod.), další případy „klasické“ degradace spočívají v dlouhodobém působení
externích vlivů/provozních podmínek (vysoká teplota, cyklické zatěžování, koroze, jejich
kombinace), kterým se rovněž není možné vyhnout a jejichž vliv je nutno respektovat již ve
stádiu návrhu konstrukce a volby vhodných materiálů.
Strojírenské konstrukce jsou projektovány na určitou dobu života/provozu tak, aby
splňovaly potřebné technické parametry a bezpečnostní požadavky.
Mechanické vlastnosti konstrukčních materiálů nejsou absolutními konstantami, ale mění
se v závislosti na podmínkách jejich použití/aplikace v konstrukci, zejména v závislosti na
teplotě, rychlosti zatěžování/deformace a na charakteru napjatosti.
Význam pochopení degradačních procesů a jejich výzkum v poslední době nabývá na
významu zejména ze dvou následujících důvodů:
- Je obecným zájmem používat vyrobené konstrukce co nejefektivněji, a tedy také co
nejdéle, aniž by hrozilo nebezpečí jejich poruch, které by mohly mít za následek
ekonomické ztráty, resp. ztráty na lidských životech.
- V důsledku vývoje nových moderních a odolnějších materiálů „nové generace“ je
v zájmu výrobce i uživatele umět posoudit míru a rychlost degradačních procesů
materiálů při působení různých provozních faktorů a zaručit dlouhodobou životnost
projektovaných součástí a zařízení.
19
VYZ 0729/2004
Do popředí tak vystupuje problematika hodnocení stupně degradace mechanických
vlastností konstrukčních materiálů, hodnocení stupně jejich poškozování vlivem různých
provozních faktorů a vypracování metodik pro včasné předcházení nepříznivým projevům
degradace mechanických/užitných vlastností.
Základním problémem stanovení zbytkové životnosti konstrukce s uvažováním
degradačních procesů probíhajících v materiálu, z něhož je konstrukce vyrobena, je
vyhodnocení/znalost stupně/rozsahu degradace/ztráty původních vlastností materiálu. Pro její
určení je nutné využít korelaci výsledků destruktivních metod (obvykle dostupných ve stádiu
vývoje a výroby) a nedestruktivních metod (ve stádiu provozu konstrukce, kdy destruktivní
metody jsou nedostupné nebo realizovatelné jen v omezeném rozsahu).
Měřítkem popsaných změn nejsou v dostatečné míře základní mechanické vlastnosti,
podstatně citlivější se v tomto směru jeví zkoušky rázem v ohybu, resp. zkoušky lomové
houževnatosti. Jedná se však o zkoušky destruktivní, pro které je obtížné, nebo v řadě případů
i nemožné, odebrat z konstrukce dostatečné množství materiálu potřebného na výrobu
zkušebních těles. Navíc velmi často nejsou známy (nebyly měřeny) původní hodnoty
materiálových parametrů před uvedením konstrukce do provozu.
Konvenční techniky nedestruktivních metod jsou sice v dnešní době dobře zvládnuté,
spolehlivě však fungují pouze jako nástroj zjišťování necelistvostí výrobků. Optické
(metalografické) metody jsou v tomto směru účinnější, ale jsou poměrně málo citlivé a
indikují až změny, které se projevují až v posledních stádiích procesu degradace. Latentní
stupeň degradace, která nepokročila natolik, aby už vznikly necelistvosti, resp. rozsáhlé
strukturní změny patrné v mikroskopu, může být přesto velmi závažný a vést (v důsledku
zkřehnutí struktury) ke křehkému lomu.
Pro rozpoznání a kvantifikaci „latentního“ stupně degradace materiálu se dobře osvědčuje
rentgenografická technika využívající difrakce. Změny, které jsou na difrakčním obrazu
struktury pozorovatelné již v latentním stádiu degradace materiálu, výrazně ovlivňují sklon ke
křehkému lomu.
Hodnocení stupně degradace konstrukčních částí a změn mechanických vlastností
materiálů použitých v konstrukci se v poslední době stává jedním z významných odvětví
výzkumu, vývoje a zkušebenských metodik. O tom svědčí jak poptávka z průmyslové oblasti,
tak řada publikací, příspěvků na konferencích atd. na dané téma, viz stručný přehled
pořádaných akcí a seznam literatury z poslední doby:
20
VYZ 0729/2004
[1/2] Int. Conf. “Damage and Fracture Mechanics”. Kréta – 2004.
[2/2] “Plant Life Extension Conference”. 14-16 April 2004, Cambridge, UK.
[3/2] BALTICA VI Int. Conf. on “Life Management an Maintenance for Power Plants”.
Helsinki-Stockholm 2004.
[4/2] ECF 15: “Advanced Fracture Mechanics for Life and Safety Assessments”. Stockholm,
2004.
[5/2] Int. Sem.: “Risk Based Management of Power Palant Equipment”. London, 2002.
[6/2] HIDA Conf.: “Probabilistic Life Assessment and Preventive Maintenance in Industrial
Plant”. Cambridge, UK, 2004.
[7/2] ICPVT10 Conf. on Pressure Vessel Technology. Vienna, 2003.
[8/2] Kachanov, L.M.: Introduction to Continuum Damage Mechanics. M. Nijhoff Publ., The
Netherlands, 1986.
[9/2] Krajcinovic, D.: Damage Mechanics. North-Holland, 1996.
ŠKODA VÝZKUM s.r.o. se dlouhodobě a systematicky v minulosti věnovala a
permanentně věnuje (viz. např. projekt EU XPECTION) studiu problémů spojených
s degradací mechanických vlastností, zkoušením, měřením a vyhodnocováním, a to zejména
materiálů používaných v konstrukci energetických zařízení (součásti parních turbín, skříně,
rotory atd.):
[10/2] Mentl, V.: New Relationship Describing the Creep Behaviour of Structural Materials,
Imperial College of Sience and Technology. Mech. Engn. Dept., London, 1970.
[11/2] Mentl, V.: Některé problémy tečení a pevnosti při tečení při nestacionárním zatížení a
teplotě. VŠSE Plzeň, 1975.
[12/2] Mentl, V.: Pevnost těles s povrchovými trhlinami. Výzkumná zpráva ÚVZÚ ŠKODA
Plzeň, TIZ 1160, 1979.
[13/2] Mentl, V.: Residual Strength of Surface Crack Specimen. Proc. Int. Conf. “Analytical
and Experimental Fracture Mechanics”, Rome, Italy, 1980.
[14/2] Janda, R. – Mentl, V.: Vliv opakovaných plastických deformací na zbytkovou pevnost
ocelí pro jaderný program. Konf. ICF, Srní, 1980.
[15/2] Mentl, V. – Janda, R. – Kotas, M.: Hodnocení pevnosti materiálu tlakových nádob
s uvažováním povrchových trhlin. Sem. „Hodnotenie prevádzkovej spoľahlivosti
konštrukcií“, Trnava, 1980.
[16/2] Janda, R. – Kotas, M. – Mentl, V.: Rozbor vlivu malocyklové únavy na pevnost těles
s povrchovými trhlinami. Sb. konf. „Dynamické a pevnostné problémy strojníckych
konštrukcií"“ Pezinok, 1980.
[17/2] Janda, R. – Mentl, V. – Kapitán, S.: Pevnost čočkových kompenzátorů při opakovaném
namáhání za vysokých teplot. EAN 81, Štrbské Pleso, 1981.
[18/2] Janda, R. – Mentl, V.: Studie lomové houževnatosti materiálu rotoru turbíny TISZAI
po 140000 hodinách provozu. Výzkumná zpráva ÚVZÚ ŠKODA Plzeň, TIZ 1205,
1981.
21
VYZ 0729/2004
[19/2] Janda, R. – Mentl, V. – Jandoš, F.: Příspěvek k problematice porušování materiálu
15CH2MFA s austenitickým návarem při nízkocyklové únavě. Výzkumná zpráva
ÚVZÚ ŠKODA Plzeň, TIZ 1237, 1981.
[20/2] Mentl, V. – Janda, R.: Růst povrchových trhlin při cyklickém zatěžování. Sem.
„Bruchmechanik II“, Geissing, Germany, 1983.
[21/2] Mentl, V. – Janda, R.: Rychlost šíření trhlin v oceli ŠKODA TBW po 140 000
hodinách provozu. Sb. konf. „Únava materiálů a konstrukcí“, Praha, 1984.
[22/2] Janda, R. – Mentl, V.: Aenderung der mechanischen Werkstoffeigenschaften bei einen
Dampfturbinenrotor nach 140 000 Betriebstunden. Kol. „Schadensfallanalyse“
Freiberg, Germany, 1987, Neue Hütte 33, 1988, 105-109.
[23/2] Janda, R. – Mentl, V.: Aenderungen der mechanischen Werkstoffeigenschaften bei eine
Dampfturbinenrotore. Neue Hütte 33, 1988.
[24/2] Janda, R. – Mentl, V.: Pevnostní a křehkolomové vlastnosti materiálu vnitřní VT skříně
elektrárny Kakanj v Jugoslávii. Výzkumná zpráva ÚVZÚ ŠKODA Plzeň, VZVÚ 0508,
1991.
[25/2] Janda, R. – Mentl, V.: Pevnostní a křehkolomové vlastnosti VT rotoru turbíny 110 MW
z ocele 15 335 z elektrárny Tušimice po dlouhodobém provozu. Výzkumná zpráva
ÚVZÚ ŠKODA Plzeň, VZVÚ 0524, 1991.
[26/2] Mentl, V.: Hodnocení degradace křehkolomových vlastností ocelí používaných pro
velké výkovky rotorů parních turbín pomocí korelací křehkolomových parametrů.
Přednáška na sem. „Metodické a aplikační problémy lomové mechaniky“, Žinkovy,
1992.
[27/2] Mentl, V. – Janda, R.: Lomová houževnatost ocelí pro rotory parních turbín a
turbogenerátorů. Výzkumná zpráva ŠKODA VÝZKUM s.r.o., VZVÚ 0718, Plzeň,
1992.
[28/2] Mentl, V. a kol.: Korelace křehkolomových vlastností velkých výkovků. Výzkumná
zpráva ŠKODA VÝZKUM s.r.o., VZVÚ 0719, Plzeň, 1992.
[29/2] Janda, R. – Mentl, V.: Rychlost šíření únavových trhlin ve svarovém spoji svařovaného
rotoru a jeho odolnost proti křehkému lomu. Výzkumná zpráva ŠKODA VÝZKUM
s.r.o., VZVÚ 0727, Plzeň, 1992.
[30/2] Mentl, V. – Kříž, J.: Vliv stvolových vycezenin na křehkolomové vlastnosti.
Výzkumná zpráva ŠKODA VÝZKUM s.r.o., VZVÚ 0750, Plzeň, 1993.
[31/2] Janda, R. – Mentl, V.: Hodnocení přípustnosti defektů v konstrukcích a výpočet
kritických velikostí trhlin. Výzkumná zpráva ŠKODA VÝZKUM s.r.o., VZVÚ 0819,
Plzeň, 1993.
[32/2] Mentl, V. – Janda, R.: Hodnocení křehkolomových vlastností velkých výkovků.
[33/2] Janda, R. – Mentl, V.: Únavová pevnost svarového spoje NT rotoru parní turbíny 1000
MW. Výzkumná zpráva ŠKODA VÝZKUM s.r.o., VZVÚ 0839, Plzeň, 1994.
[34/2] Mentl, V. – Janda, R.: Křehkolomové vlastnosti hrubozrnné zóny tepelně ovlivněné
oblasti reaktorových ocelí vytvořené simulací dvou a tří cyklů opravného svařování.
22
VYZ 0729/2004
[35/2] Mentl, V. – Janda, R.: Statická a dynamická lomová houževnatost ocele 16 536 měřená
ve vývrtech velkých výkovků. Výzkumná zpráva ŠKODA VÝZKUM s.r.o., VZVÚ
0845, Plzeň, 1994.
[36/2] Mentl, V.: Odolnost proti iniciaci a šíření tvárné trhliny v oceli 16 536. Výzkumná
[37/2] Mentl, V.: Fracture Toughness and J – R Curves Scatter of a Low-Pressure Turbine
Rotor Steel. Int. Conf. “Structural Failure, Product Reliability and Technical
Insurance”, Vienna, 1995.
[38/2] Janda, R. – Mentl, V.: Pevnostní a křehkolomové vlastnosti materiálu skříně parní
turbíny z tvárné litiny ČSN 42 2304. Výzkumná zpráva ŠKODA VÝZKUM s.r.o.,
VZVÚ 1106, Plzeň, 1996.
[39/2] Mentl, V. – Bečka, J.: Resistance of Coarse Grain Region of HAZ Produced in Nuclear
Pressure Vessel Steels by Simulation of Two and Three Cycles of Repair Welding. 2nd
Int. Symposium “Mis-matching of Welds”, Reinsdorf-Lueneburg, Germany, 1996.
[40/2] Chvojan, J. – Mentl, V. – Vojtíšek, J.: Fatigue Life Assessment of a 1000 MW TurboGenerator Rotor. Proc. 6th Int. Fat. Congress “Fatigue 96”, Berlin, Germany, 1996.
[41/2] Vojtíšek, J. – Mentl, V.: Hodnocení křehkolomových vlastností velkých výkovků pro
energetiku. Konf. „Novinky v oblasti skúšania materiálov“, Košice, chata Jahodná,
1996.
[42/2] Janda, R. – Mentl, V.: Pevnostní a křehkolomové vlastnosti materiálu skříně parní
turbíny z tvárné litiny ČSN 42 2304. Výzkumná zpráva ŠKODA VÝZKUM s.r.o.,
VZVÚ 1106, Plzeň, 1996.
[43/2] Džugan, J. – Mentl, V. – Jandová, D.: Změna dynamické lomové houževnatosti
v závislosti na deformaci oceli P 900 za studena. Inženýrská mechanika 99, Svratka,
1999.
[44/2] Mentl, V.: Hodnocení degradace základního materiálu a svaru parovodu. Výzkumná
zpráva ŠKODA VÝZKUM s.r.o, VYZ 53/01/00, Plzeň, 2000.
[45/2] Mentl, V.: Využití metod zkoušení dynamické lomové houževnatosti pro hodnocení
tvářených a litých tepelně namáhaných částí. Výzkumná zpráva ŠKODA VÝZKUM
s.r.o., VYZ 0536/2001, Plzeň, 2001.
[46/2] Barták, J. – Žlábek, P. – Mentl, V.: Fatigue Crack Growth Rate in Anisotropic
Materials. ECF 14, Krakow, 2002.
[47/2] Žlábek, P. – Mentl, V.: Měření rychlosti šíření únavových trhlin v nehomogenním
prostředí representovaném svary v materiálu pro tlakové nádoby. Přednáška sem.
„Lomová mechanika a únava 2002“, Žinkovy, 2002.
[48/2] Mentl, V.: Service Degradation Assessment of Structural Materials and Components,
SPT-7. Int. Conf. “Technology, Patent and the Law: The Challenge of the 21st
Century”, Vienna, 2002.
23
VYZ 0729/2004
a rovněž s degradací za vysokých (creepových) teplot:
[49/2] Kanta, V.: Stanovení zbytkové životnosti trubky za přehřívačem kotle č. 4 na ELÚ III.
Výzkumná zpráva ÚVZÚ ŠKODA Plzeň, TIZ 636 I, 1982.
[50/2] Kanta, V.: Vyhodnocování výsledků zkoušek pevnosti při tečení dle matematického
modelu. Výzkumná zpráva ÚVZÚ ŠKODA Plzeň, TIZ 761 I, 1985.
[51/2] Kanta, V.: Zbytková životnost parovodu kotle K3 v teplárně ELÚ III. Výzkumná
zpráva ÚVZÚ ŠKODA Plzeň, TIZ 874 I, 1987.
[52/2] Kanta, V.: Zbytková životnost parovodu kotle K4 v teplárně ELÚ III. Výzkumná
zpráva ÚVZÚ ŠKODA Plzeň, TIZ 883 I, 1987.
[53/2] Vaněček, V.: Ověření materiálového stavu ocele CO3L-J licence Alsthom-Atlantique.
Výzkumná zpráva ÚVZÚ ŠKODA Plzeň, TZVÚ 0320, 1990.
[54/2] Kanta, V.: Materiálové vlastnosti ocele G-X22CrMoV 12.1 na odlitky parních turbín.
[55/2] Kanta, V.: Zkoušky tečení svarových spojů pro potrubí parní turbíny 1000 MW.
[56/2] Kanta, V.: Relaxace ocelí ČSN 41 7455 a P900 na obruče turboalternátoru. Výzkumná
zpráva ÚVZÚ ŠKODA Plzeň, TZVÚ 0511, 1991.
[57/2] Kanta, V.: Zbytková životnost parovodu K3 v Palivovém kombinátu Vřesová.
[58/2] Kanta, V.: Zkoušky tečení slitiny AlMgSi 0,5 pro vyhořelé palivové články. Výzkumná
zpráva ŠKODA VÝZKUM s.r.o., TZVÚ 1048, Plzeň, 1996.
[59/2] Kanta, V. – Potužák, L.: Zkoušky relaxace napětí v ohybu oceli 42CrMo4. Výzkumná
[60/2] Kanta, V.: Zbytková životnost parovodu E123-E124 v el. Sokolovská uhelná a.s.,
Vřesová. Výzkumná zpráva ŠKODA VÝZKUM s.r.o., VYZ 0127/97, Plzeň, 1997.
[61/2] Kanta, V.: Zkoušky tečení Al slitin AlMg1,8 a AlMgSi 0,5+B. Výzkumná zpráva
ŠKODA VÝZKUM s.r.o., VYZ 0157/98, Plzeň, 1998.
[62/2] Kanta, V.: Moderní chromové ocele pro parní turbíny se zvýšenými parametry páry
(COST). Výzkumná zpráva ŠKODA VÝZKUM s.r.o., VYZ 0352/99, Plzeň, 1999.
[63/2] Kanta, V.: Vlastnosti vybraných niklových slitin INCONEL pro spalovací turbíny.
Výzkumná zpráva ŠKODA VÝZKUM s.r.o., VYZ 0479/2001, Plzeň, 2001.
[64/2] Kanta, V.: Žárupevnost a relaxace oceli X12 CrNiMo 12. Výzkumná zpráva ŠKODA
VÝZKUM s.r.o., VYZ 0608/2002, Plzeň, 2002.
[65/2] Kanta, V.: Moderní chromové ocele pro parní turbíny se zvýšenými parametry páry
(spolupráce COST). Výzkumná zpráva ŠKODA VÝZKUM s.r.o., VYZ 0662/2002,
Plzeň, 2002.
[66/2] Kanta, V.: Žárupevnost svarových spojů na potrubí z oceli P91. Výzkumná zpráva
24
VYZ 0729/2004
Hodnocení stupně degradace mechanických vlastností konstrukčních materiálů vlivem
dlouhodobého provozu prostřednictvím přímých mechanických zkoušek je komplikovanou
záležitostí, protože obvykle naráží na problém možnosti odběru dostatečného množství
materiálu potřebného na výrobu příslušných zkušebních těles. Z těchto důvodů se v poslední
době rozvíjí metodiky zkoušení miniaturizovaných zkušebních těles, která by bylo možno
odebírat bez výrazného poškození přímo z konstrukční části. Výběr a vývoj příslušných
zkušebních metod je v počátcích, metodické postupy pro takové zkoušky nejsou ustálené,
natož standardizované, a zkušenosti s jejich prováděním jsou relativně malé. Možnost
reálných obecně platných korelací s „klasickými“ mechanickými zkušebními postupy není
rovněž dostatečně prozkoumána a ověřena. V této oblasti je v posledních letech vyvíjena
široká aktivita vzhledem k závažnosti dané problematiky, viz následný stručný výběr
z literatury:
[67/2] Koutský, J.: Degradační procesy a predikce životnosti. ZČU Plzeň, 1995.
[68/2] Downing, N.E.: Mechanical behaviour of materials. Prentice-Hall International
Ed.1993.
[69/2] Purmenský, J. – Karásek, J.: Využití metod malých vzorků pro testování užitných
vlastností materiálu OK. Sborník 1 Ostravská konference ocelových konstrukcí,
Ostrava, 1999.
[70/2] Matocha, K. – Purmenský, J. – Karásek, J. – Kander, L.: Možnosti posuzování
degradace vlastností konstrukčních materiálů vlivem dlouhodobého provozu OK.
Sborník II konference velkostroje a těžební technika, Teplice, 2000.
[71/2] Lucas, G.E.: Review of small specimen test techniques for irradiation testing.
Metallurgical Transactions, 1990.
[72/2] Purmenský, J.: Nová metoda diagnostiky životnosti materiálu energetických zařízení.
Sborník referátů semináře “Efektivní energetika”, Lendorf, 2000.
[73/2] Purmenský, J.: Review of small specimen puch techniques. Universite College,
Swansea, 1991.
[74/2] Purmenský, J. – Parker, J.D.: Assessment of performance by monitoring in service
changes in material properties. Ninth European Conference on Fracture, Varna, 1992.
[75/2] Manahan, M.P. – Browning, A.G. – Argon, A.S. – Harling, O.K.: Miniaturized Disk
Bend Test. Uhe Use of Small Scale Specimens for Testing Irradiated Materials,
Philadelphia, 1986.
[76/2] Bisbee, L.H. – Mercaldi, D.W. – Parker, J.D.: SSam - system for nondestructive
materials sampling. Comadem, 1991.
[77/2] Purmenský, J. – Foldyna, V. – Sojka, J. – Karásek, J.: Small Sample Testing Methods
for Conditional Assessment of High Energy Equipments. Swansea, 1999.
[78/2] Líčka, A.: Výpočet změny součinitele koncentrace napětí miniaturizovaného
zkušebního tělesa vzhledem k hladkému válcovému zkušebnímu tělesu. Brno.
[79/2] Karásek, J.: Zpráva D12/2000: Stanovení meze únavy v kritickém místě pomocí
miniaturizovaných zkoušek únavy. Ostrava Vítkovice, 2000.
25
VYZ 0729/2004
2.3 Dílčí úkoly
Rozvoj metodik měření mechanických vlastností kovových materiálů
pomocí klasických a miniaturních zkušebních těles
Zodpovědný řešitel dílčího úkolu: Doc. Ing. Václav Mentl, CSc.
Anotace
Cílem je osvojení si metod měření základních mechanických vlastností, únavy, creepu a
odolnosti proti porušení křehkým lomem na malých zkušebních tělesech. Metodika zkoušení
mechanických vlastností materiálů pomocí malých zkušebních těles není dosud dostatečně
vypracována, není standardizována a ve ŠKODA VÝZKUM s.r.o. nebyla zatím aplikována.
Zkoušení mechanických vlastností pomocí zkoušek malých zkušebních těles nabývá na
významu v řadě praktických případů, kdy není možné (např. již z hotové nebo provozované
součásti) odebrat dostatečné množství reprezentativního materiálu pro výrobu klasických
zkušebních těles.
V rámci tohoto dílčího úkolu budou vypracovány metodiky měření mechanických
vlastností pomocí malých zkušebních těles a porovnány výsledky měření na malých a
klasických zkušebních tělesech.
Shromáždění dostupných podkladů týkajících se dané problematiky (bude provedena
rešerše vlastních prací i externích publikací zabývajících se danou problematikou) (termín:
11/2004).
Vytypování typů zkoušek prováděných pomocí miniaturních zkušebních těles
(termín:12/2004).
Návrh zkušebních postupů (termín: 12/2004).
Návrh zkušebních přípravků (termín: 12/2004).
Připravit abstrakt příspěvku na mezinárodní konferenci pro rok 2005.
26
VYZ 0729/2004
Výroba zkušebních tyčí.
Výroba zkušebních přípravků.
Provádění zkoušek.
Sběr dat a vyhodnocení zkoušek.
Tvorba databanky.
Sběr a vyhodnocení zkoušek.
Tvorba databanky.
Vyhodnocování a korelace výsledků.
Tvorba metodických postupů.
Experimentální materiál:
Jako zdroj experimentálního materiálu budou využívána zkušební tělesa z komerčně
získaných materiálů.
27
VYZ 0729/2004
Hodnocení degradace konstrukčních materiálů a zbytkové životnosti
vybraných degradovaných komponent
Zodpovědný řešitel dílčího úkolu: Doc. Ing. Václav Mentl, CSc.
Anotace
Cílem je vypracování metodik hodnocení degradace mechanických vlastností
konstrukčních materiálů používaných v energetickém a dopravním strojírenství. Dílčí úkol
předpokládá využití provozně degradovaných materiálů po creepovém a únavovém namáhání.
V dílčím úkolu budou průběžně využívány výsledky řešení projektů 5. rámcového
programu EU XPECTION (projekt je zaměřen na hodnocení stupně degradace materiálů
pomocí rentgenové difrakce) a FITNET (síťový projekt zaměřený na přípravu evropského
standardu z oblasti provozní spolehlivosti strojírenských konstrukcí).
V tomto dílčím úkolu budou rovněž využívány a rozvíjeny výsledky dvoustranné
spolupráce v rámci projektu KONTAKT s Technickou univerzitou v Mariboru, Slovinsko
(probíhající na téma „Hodnocení bezpečnosti svarových spojů metodami lomové
mechaniky“).
Shromáždění podkladů týkajících se dané problematiky, definování okruhu vhodných
materiálů (bude provedena rešerše vlastních prací i externích publikací zabývajících se
danou problematikou) (termín: 11/2004).
Simulace provozního namáhání:
- creep: využití vlastních výsledků a materiálů z komerčních zkoušek, získání
degradovaných stavů od ŠKODA POWER s.r.o. (skříně, rotory),
- únava: využití výsledků vlastních a komerčních zkoušek, využití výsledků
z únavových zkoušek rámů apod. na Dynamické zkušebně (shromažďování
dostupných materiálů pro výrobu příslušných zkušebních těles).
Provádění mechanických zkoušek (malé vzorky, křehký lom, tvrdost apod.).
Příprava příspěvku na některou odpovídající konferenci (International Creep Conference,
London, 12-14 September 2005).
28
VYZ 0729/2004
Simulace provozního namáhání (creep, únava).
Provádění mechanických zkoušek (creep, únava, křehký lom, tvrdost).
Sběr dat a vyhodnocování zkoušek.
Tvorba databanky.
Sběr a vyhodnocení zkoušek.
Tvorba databanky.
Vyhodnocování a korelace výsledků.
Tvorba metodických postupů.
Jako zdroj experimentálního materiálu budou využívána zkušební tělesa z komerčně
prováděných zkoušek.
29
VYZ 0729/2004
Oba dílčí úkoly přinesou cenné poznatky týkající se problematiky hodnocení stupně
degradace tečením a únavou konstrukčních materiálů využívaných v energetickém a
dopravním strojírenství. Umožní tak hodnotit zbytkovou životnost provozovaných zařízení a
přispějí ke zvýšení bezpečnosti a spolehlivosti konstrukcí.
Zavedení příslušných metodických postupů rozšíří portfolio činností (nabízených služeb)
ŠKODA VÝZKUM s.r.o.
30
VYZ 0729/2004
3. DEGRADACE MATERIÁLŮ A KONSTRUKČNÍCH UZLŮ
PŘI DYNAMICKÉM PROVOZNÍM ZATĚŽOVÁNÍ
Ing. Jaroslav Václavík, Ing. Jan Chvojan, Ing. Jiří Német, Ing. Milan Kotas,
Ing. Miloslav Kepka, CSc.
3.1 Úvod
Výzkumný záměr je zaměřen na rozvoj stávajících a vývoj nových metodik, podávajících
komplexní popis degradace a spolupůsobících faktorů u nových typů materiálů, používaných
při výrobě strojních zařízení, konstrukcí a jejich komponent v energetice a v dopravním
strojírenství.
Protože většina konstrukcí je v provozu zatížena časově proměnnými silami, je významná
část řešení projektu věnována vlivu degradace materiálu na životnost konstrukcí a
konstrukčních prvků; přitom se vychází z toho, že rovněž únavový proces je jedním ze
sledovaných degradačních faktorů. Speciální pozornost je věnována svarovým spojům.
Zbytková životnost konstrukce, vystavené cyklickému namáhání, je posuzována na
základě změn vlastností materiálů vlivem degradačních procesů a na základě hodnocení
stupně poškozování konstrukcí a konstrukčních prvků vlivem různých provozních podmínek.
S tím souvisí experimentální část projektu - realizace únavových zkoušek, sběr provozních
spekter namáhání a teoretická část – modelování těchto vlivů výpočetními metodami a
posouzení těchto vlivů na zbytkovou životnost.
Důležité je hodnocení stupně degradačního procesu materiálu/konstrukčního dílu
nedestruktivními metodami, mezi nimiž se jako jedna z vhodných jeví metoda, založená na
analýze změn magnetostričních vlastností materiálů.
31
VYZ 0729/2004
Životnost při cyklickém zatížení
Konstrukce a konstrukční prvky, jež jsou namáhány cyklickým zatížením, jsou vystaveny
únavovému procesu, který může vyvolat únavový lom. Přitom tento proces lze rozdělit do tří,
vzájemně se překrývajících stádií – stádium změn mechanických vlastností, stádium nukleace
mikrotrhlin a stadium růstu únavových trhlin, jež může být zakončeno náhlým nestabilním
lomem.
Vlivem dlouhodobě působícího namáhání dochází k postupné degradaci bariér, materiálu
vlastních, proti jeho porušování, vyvolanému koncentracemi plastické deformace.
Únavový proces lze popsat analyticky. Závisí na rozsahu oblasti, ve které dochází
k opakovanému vzniku pružně plastických deformací. Jedná se o nízkocyklovou nebo
vysokocyklovou únavu. Tato stadia končí inicializací trhlinky o smluvní velikosti 0.5 až 1
mm.
Vysokocyklová únava vede ke vzniku mikrotrhlin a projevuje se při počtu cyklů
mechanického nebo teplotního zatížení >105. Je vyvolána koncentracemi napětí a
makrodefekty materiálu. Mikrotrhlinky vznikají v povrchové vrstvě materiálu v místech
lokálních plastických deformací, i když v makroobjemu tělesa je deformace elastická.
Rychlost růstu trhlinek ovlivňuje gradient napětí a jakost povrchu materiálu.
Hodnocení vysokocyklové únavy se nejčastěji provádí na základě nominálního přístupu a
z výpočtu kumulace poškození na základě konstrukčních únavových křivek (ČSN 42 0368) a
nebo předem specifikovaných tříd únavových křivek (Eurocode No.3, BS 7608). Obvykle se
používají linearizované únavové Wöhlerovy křivky. Řídícím parametrem únavových křivek je
napětí. Únavovou křivku, určenou na malých vzorcích, nelze bez vlivu gradientu napětí
přenést na reálné těleso.
Nízkocyklová únava vzniká při cyklickém zatížení v intervalu <102;105> cyklů při vyšším
rozkmitu deformace v oblasti makroobjemu materiálu u makroskopických konstrukčních
vrubů, zahrnuje jak elastickou, tak plastickou část deformace. Pohlcování vnesené energie se
realizuje na rozdíl od vysokocyklové únavy rovněž mimo kořen vlastní magistrální trhliny.
Řídícím parametrem únavových křivek je poměrná deformace. Křivky lze přenést na
rozměrnější reálné těleso. Nejčastěji se používají únavové křivky typu Manson-Cogffina.
Konstrukční únavová křivka se sestrojí s křivky experimentálně určené s uvážením vlivu
asymetrie napětí, jednosměrné kumulované plastické deformace a vlivu snížení únavové
pevnosti svarovým spojem. Použitelnost těchto křivek lze vhodnou volbou koeficientů rozšířit
do oblasti vysokocyklové únavy.
32
VYZ 0729/2004
V oblasti časované pevnosti dynamicky zatěžovaných konstrukcí má nezanedbatelný vliv
cyklický creep. Může se projevit v oblasti přechodu od kvazistatického porušení
k nízkocyklové únavě a jednak v oblasti přechodu nízkocyklové k vysokocyklové únavě.
K rozvoji cyklického creepu dochází zejména při překročení oblasti citlivosti materiálu na
parametru asymetrie cyklu.
Na růst trhliny (třetí stádium) může působit několik faktorů, jako je cyklické zatěžování,
koroze pod napětím nebo vodíkové zkřehnutí. V oblasti vysokocyklové únavy se rychlost
růstu trhliny vyjadřuje v závislosti na rozkmitu součinitele intenzity napětí, v oblasti
nízkocyklové únavy na rozkmitu součinitele J-integrálu. Lze určit prahovou hodnotu těchto
součinitelů, pod kterou se trhliny prakticky nešíří. Jedná se o metody lomové mechaniky.
Vliv provozního spektra na únavovou životnost
Zatížení složitých konstrukcí a strojních celků má mnohdy výrazně časově proměnný
charakter. To se týká například oblasti dopravního strojírenství (silničních a kolejových
vozidel), oblasti inženýrských staveb (železničních a silničních mostů), oblasti energetického
strojírenství (turbosoustrojí a jeho komponent), oblasti všeobecného strojírenství
(průmyslových lisů, obráběcích strojů), těžebních strojů a jiných podobných konstrukcí.
Zatížení je dáno charakteristikou provozu, jež je formována interakcí vnějšího prostředí,
stroje a člověka.
Všechny dílčí vlivy provozních podmínek lze zpravidla definovat určitými veličinami,
jejichž úrovně se mohou režim od režimu lišit. Každý z provozních parametrů proto v rámci
technického života stroje vytváří určité statistické rozdělení četnosti svého výskytu. Mezi
některými parametry může existovat i vzájemná vazba. Přesný popis takového
vícerozměrného souboru náhodných veličin je však obtížný. Zjednodušený statistický model
provozních podmínek lze vytvořit pomocí matice skladby vybraných typických provozních
režimů, jejichž váha odpovídá poměru jejich výskytu k celkové době života konstrukce.
Vstupní informace pro sestavení matice se buď získávají sledováním a analýzou reálného
provozu u uživatelů nebo vyplývají z platných předpisů a nebo jsou deklarovány výrobcem.
Pro řešení problematiky únavového poškozování a životnosti konstrukce se provádí
pevnostní kvantifikace provozních podmínek, tj. měření odezvy kmitavých procesů namáhání
pro kritická místa konstrukčních dílů. Měřené časové řady mechanického napětí se
dekomponují na soubor harmonických kmitů některou třídící metodou, z nichž nejvíce
užívaná je metoda stékání deště. Tím se získá obvykle dvouparametrický histogram četností
kmitů = matice počtu cyklů v závislosti na velikosti amplitudy a středního napětí cyklu (dále
napěťové spektrum). Subjektivně volená matice skladby provozních podmínek však nemusí
vždy věrně reprezentovat charakteristiku provozu. Vytvoření věrné charakteristiky je možno
pouze na základě statistického rozboru a porovnání dílčích provozních režimů. To musí vést
ke stanovení, z jak dlouhých časových úseků matici sestavit (např. vyhodnocením evoluční
spektrální hustoty) a zda vlastní skladba matice je pro reprezentaci provozu dostatečná.
33
VYZ 0729/2004
Statistické charakteristiky dávají rovněž možnost v průběhu života konstrukce stanovit, zda
soustava je užívána v takových provozních podmínkách, pro které byla konstruována.
Pro optimalizaci skladby matice by bylo ideálním řešením pořízení provozního spektra z
významné části doby života soustavy a nebo ještě lépe shromáždění posloupnosti dílčích
provozních spekter, které by zahrnovaly vývoj jednotlivých provozních faktorů, tak jak se
během provozu vyskytují. Na základě vzájemné korelace by potom bylo možno vybrat určité
charakteristické úseky, které by provozní spektrum dostatečně reprezentovaly a bylo by
možno odvodit i parametry, které by charakterizovaly degradaci provozního spektra během
života konstrukční soustavy.
Pro hodnocení zbytkové životnosti je vhodné sledované strojní zařízení vybavit měřicím
systémem, který provoz monitoruje a vyhodnocuje. Pokud lze trvale měřit namáhání
v kritických místech, lze data v reálném čase zpracovávat vícekanálovou metodou stékání
deště. Často však lze měřit pouze v přístupných místech a jen v určitých časových intervalech.
Měřící systém se skládá zpravidla z existujících hardwarových a softwarových prvků,
uzpůsobených pro možnost kontinuálního vzorkování do paměti a obsluhu výjimečných
událostí. Díky dnešním možnostem pro přenos digitálních dat jej lze vybavit pokročilými
funkcemi pro možnost vzdáleného řízení a správu dat.
Teoretické a experimentální ověřování únavové životnosti
Známe-li únavovou křivku a provozní spektrum namáhání, lze odhadnout životnost na
základě některé z hypotéz kumulace únavového poškození. Nejpoužívanější a nejstarší je
hypotéza lineární kumulace únavového poškození podle Palmgren-Minera, kdy mezního
stavu je dosaženo tehdy, jestliže součet dílčích poškození, dosažených na jednotlivých
hladinách histogramu četnosti amplitud provozního namáhání je roven mezní hodnotě, která
se rovná 1.
Laboratorní zkoušky se nejčastěji realizují různě prostřídanými bloky harmonických cyklů
zatížení, z nichž nejrozšířenější je dodnes osmistupňová zkouška podle Gassnera. V poslední
době se přistupuje i k náhodnému prostřídání jednotlivých harmonických cyklů nebo
k simulaci jednotlivých statistických charakteristik náhodných procesů. ŠKODA VÝZKUM
s.r.o. disponuje v této oblasti nejmodernější technikou.
Pomocí laboratorních životnostních zkoušek lze rovněž posoudit vhodnost použití té či oné
teorie kumulace únavového poškození, vhodnost sestavení harmonických bloků při porovnání
se zatížením reálným signálem. V odborné literatuře se takovému postupu říká kalibrace
výpočtu únavové životnosti a jejím příkladem je hypotéza lineární kumulace únavového
poškození „relativ-Palmgren-Minera“, kdy se předpokládá, že mezního stavu je dosaženo
tehdy, jestliže součet dílčích poškození, dosažených na jednotlivých hladinách histogramu
četnosti amplitud provozního namáhání je roven kalibrované mezní hodnotě únavového
poškození, která se nerovná 1.
34
VYZ 0729/2004
Hodnocení zbytkové životnosti
Do odhadu zbytkové životnosti je nutno započítat historii namáhání konstrukce (nejlépe od
počátku jejího provozování), vlastnosti materiálu a vliv změn vlastností materiálu
degradačními vlivy.
Vliv koroze materiálu lze zohlednit pomocí časově závislého průřezového modulu, např.
pomocí korozivního úbytku dle Frangopola.
V případě již existující trhliny lze zbytkovou životnost součásti vyjádřit za použití vztahů
lomové mechaniky jako počet cyklů pro nárůst počáteční velikosti trhliny na velikost
dovolenou (s ohledem na nebezpečí porušení křehkým lomem). O životnosti konstrukce
rozhoduje místo s nejmenší zbytkovou životností.
Často je vhodné provést výpočet pravděpodobnosti poruchy nebo pravděpodobnosti
bezporuchového provozu zařízení.
Hodnocení degradace materiálu nedestruktivními zkouškami
Jednou z nedestruktivních metod hodnocení zbytkové napjatosti a stavu mikrostruktury
materiálu je metoda, využívající magnetostrikční efekt. Princip funkce je magnetizace
magnetických domén ve vnějším magnetickém poli, přerozdělení domén a tvorba
magnetických pólů. V polykrystalickém materiálu tvoří inkluze, precipitace a změny fáze
překážky pro tvorbu domén a tím je ovlivněn i výsledný signál snímače.
Ve ŠKODA VÝZKUM s.r.o. je k dispozici přístroj pro měření zbytkové napjatosti ION-C,
vyrobený v bývalém SSSR. Tento přístroj se používá pro měření zbytkové napjatosti.
Obsahuje senzor se dvěma magnetizačními a dvěma detekčními cívkami, tím se potlačuje
negativní vlastnost při použití pouze jednorozměrného senzoru, kdy měřená permeabilita ve
směru senzoru je ovlivněna permeabilitou v druhém směru. Dvousměrový senzor snímá rozdíl
obou hlavních poměrných deformací a kalibrační křivka je monotónně stoupající i v tahové
oblasti. Maximální výstupní napětí dává čidlo ve směrech hlavních napětí. Metoda vyžaduje
demagnetizaci měřeného předmětu – potlačení vlivu magnetické hystereze. Kalibrace
přístroje musí být provedena před každým měřením na svědečném vzorku materiálu.
Magnetické metody se však využívají nejen v oblasti měření zbytkového napětí, ale rovněž
se objevilo několik studií o využití těchto systémů v oblasti predikce životnosti a rozvoje
únavových mechanizmů v materiálu.
Na základě velikosti magnetizační odezvy lze podle sporadických článků usuzovat nejen
na velikost napjatosti v součásti, ale rovněž z průběhu odezvy při únavových a životnostních
zkouškách lze usuzovat na probíhající únavové poškození, ještě než se objeví únavové trhliny.
V literatuře je dokonce popisováno, že např. měřený signál se nemění, pokud je zatěžování
prováděno pod mezí únavy. Nabízí se využít tuto metodu pro predikci náhlých lomů.
35
VYZ 0729/2004
[1/3] Radaj, D.: Ermüdungsfestigket – Grundlagen für Leichtbau, Maschinen- und Stahlbau.
Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1995.
[2/3] Haibach, E.: Betriebsfestigkeit – Verfahren und Daten zur Bauteilberechnung.
Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2002.
[3/3] Němec, J. a kol.: Dynamické jevy, namáhání a porušování pojezdu lokomotiv.
NADAS, Praha, 1986.
[4/3] Jacoby, G.: Werkstoff- und Bauteilprüfung Sofie Betriebslasten-Simulation. Carl
Schenck, Darmstadt, 1981.
[5/3] Jakoby, G.: Mechanical Testing in the Automotive Industry. Carl Schenck, Darmstadt,
1984.
[6/3] Jakoby, G.: Betriebslastensimulation an Fahrzeugbauteilen mittels servohydraulischer
Prüfeinrichtungen. VDI Berichte Nr. 632, 1987.
[7/3] Jakoby, G.: Prüfanlagen zur Bestimmung der Lebensdauer von Flugzeugen und
Komponenten. Carl Schenck, Darmstadt, 1984.
[8/3] Jakoby, G. und Mitarbeitern: Prüfung von Werkstoffen und Maschinenbauteilen mittels
Pragrammierbarer Elektrohydraulischer Prüfmaschinen. Carl Schenck, Darmstadt,
1984.
[9/3] Klesnil, M. – Lukáš, P.: Únava kovových materiálů při mechanickém namáhání.
Academia, Praha, 1975.
[10/3] Bělohradský, T. – Růžička, P.: Stanovení bezpečného únavového života letounů na
základě záznamů spektra zatížení z registračního akcelerometru. Letecký zpravodaj
1/2003, VZLÚ a.s., Praha, str. 12-14.
[11/3] Sakai, Y. – Unishi, H. – Yahata, T.: "Non-destructive method of stress evaluation in
Linepipes using magnetic anisotropy sensor". JFE Technical Report, No. 3, July 2003,
pp. 47 - 53.
[12/3] Titto, K.: "Use of Barkhausen effect in testing for residual stresses and material
defects". Non destructive testing, Vol. 26, No. 2 March/April 1989, pp. 36 - 41.
[13/3] Culek, B. ml. – Culek, B.: Transformace napětí při simulaci provozního namáhání
konstrukce železničního vozidla. Acta Mechanica Slovaca, 2/1998.
[14/3] Culek, B. ml. – Culek B. st.: Hodnocení únavové životnosti komponent při složitém
namáhání. Výzkumná zpráva, Univerzita Pardubice, 1999.
[15/3] Culek, B. ml.: Stanovení zbytkové životnosti vybraných detailů konstrukcí na základě
tenzometrického měření. Interní zpráva č. 1.2 k dílčí zprávě výzkumného záměru
„Interakce dopravních prostředků a dopravní cesty“ za rok 2001.
[16/3] Culek, B. jr. – Culek, B.: Probabilistic assessment of the service life of undercarriage
railway frame. International conference Reliability and diagnostic of transport
structures and means 2002, Pardubice, 2002.
[17/3] Kliman, V.: Posudzovanie únavovej spoľahlivosti dynamicky zaťažovaných
konštrukcií. Rešeršní správa, ÚMMS SAV, Bratislava, 2004.
36
VYZ 0729/2004
3.3 Dílčí úkoly
Predikce provozní spolehlivosti cyklicky namáhaných strojních částí pro
dopravní strojírenství a energetiku
Zodpovědný řešitel dílčího úkolu: Ing. Jan Chvojan (spolupráce: Ing. Miloslav Kepka, CSc.)
Anotace
Rozvoj metod cyklických zkoušek materiálu a strojních částí a realizace zkoušek
konstrukčních uzlů V rámci této etapy budou rozvíjeny metody nízko- a vysokocyklových
únavových zkoušek materiálů za nízkých a vysokých teplot a vyvíjen software pro jejich
vyhodnocování. Bude proveden návrh procedur pro dvouparametrickou dekompozici časové
historie napětí metodou stékání deště a pro výpočet poškození.
Studována a prakticky realizována bude různá strategie únavových životnostních zkoušek:
laboratorní simulace provozní zatěžování prostřednictvím náhodných procesů, ekvivalentními
bloky harmonických cyklů, ekvivalentními zrychlenými zkouškami.
Studovány a aplikovány budou metody pro určování zbytkové únavové životnosti cyklicky
namáhaných částí. V rámci úkolu bude probíhat osvojování softwarových nástrojů pro odhady
životnosti strojních součástí a celků na základě provozních spekter namáhání a na základě
odhadovaných Wöhlerových křivek (nominální přístup) podle Eurocode No.3.
Experimentální postupy budou podporovány pomocí výpočtů metodou multibody simulací
(MBS) a metodou konečných prvků (MKP) – viz dílčí úkoly v kapitolách 7 a 8. Budou
vyhodnoceny únavové zkoušky vybraných svařenců (jaeklových profilů) včetně detailního
výpočtu MKP s cílem zatřídění uzlu podle Eurocode No.3 (tyto typy uzlů standard
neobsahuje) a porovnání mezních napětí tohoto uzlu s uzly v normě obsazenými.
Vedle metod predikce provozní únavové životnosti dynamicky zatěžovaných konstrukcí a
jejich částí budou postupně zaváděny metody a nástroje pro posuzování jejich provozní
spolehlivosti na základě pravděpodobnostního přístupu.
Shromažďování reprezentativních procesů náhodného provozního zatížení z průmyslové
praxe a doplňková provozní měření.
Shromažďování reprezentativních únavových křivek materiálů a konstrukčních uzlů
z průmyslové praxe a realizace doplňkových únavových zkoušek.
Analýza teorie pro aplikaci (i vlastní vývoj) softwarových modulů pro predikci provozní
únavové životnosti a posuzování provozní spolehlivosti dynamicky zatěžovaných
konstrukcí a jejich částí.
Stanovení distribuční funkce únavové životnosti součásti s ohledem na náhodný charakter
zatěžovacího procesu.
37
VYZ 0729/2004
Postupný vývoj a aplikace softwarových modulů pro predikci provozní únavové životnosti
a posuzování provozní spolehlivosti dynamicky zatěžovaných konstrukcí a jejich částí.
Stanovení distribuční funkce únavové životnosti součásti s ohledem na rozptyl
materiálových charakteristik
Postupný vývoj a aplikace softwarových modulů pro predikci provozní únavové životnosti
a posuzování provozní spolehlivosti dynamicky zatěžovaných konstrukcí a jejich částí.
Stanovení distribuční funkce únavové životnosti součásti s ohledem na náhodné zatěžování
a nehomogennost mechanických vlastností materiálu.
Souhrnné zpracování dosažených výsledků a akreditace nových experimentálních postupů
a metod. Veřejná publikace – minimálně na úrovni vysokoškolských učebních textů.
Časové průběhy namáhání budou shromažďovány na základě provozních měření
(průmyslových aplikací) realizovaných ve ŠKODA VÝZKUM s.r.o. a vhodně doplňovány
a rozšiřovány na bázi měření realizovaných v rámci výzkumného záměru.
Z průmyslových aplikací ŠKODA VÝZKUM s.r.o. budou pro potřeby výzkumu
uvažovány pouze takové únavové křivky, pro jejichž vyhodnocení bylo použito nejméně 6
ks zkušebních vzorků. Pro aplikaci pravděpodobnostního přístupu bude počet zkušebních
vzorků na jednu únavovou křivku doplněn na min.10 ks u konstrukčních uzlů, nejlépe 20
ks u materiálových vzorků.
38
VYZ 0729/2004
Vývoj a ověření mobilního měřicího systému
Zodpovědný řešitel dílčího úkolu: Ing. Milan Kotas
Anotace
Pro odhad zbytkové životnosti strojní součásti, založeném na únavovém poškozování, je
nutná znalost historie namáhání součásti v průběhu významné části jejího života. To je možno
uskutečnit pomocí mobilního bezobslužného měřicího systému, který bude kontinuálně
vzorkovat mechanická napětí a případně jiné veličiny, provádět nezbytné zpracování dat online a naměřené hodnoty ukládat do paměti pro další zpracování, např. metodou rain flow.
V rámci projektu bude vyvíjen mobilní měřicí systém a uživatelský software pro
vícekanálové dlouhodobé monitorování provozního namáhání a zrychlení. Bude se jednat o
mobilní měřicí systém v kompaktním provedení, sestávající z procesorového jádra,
vícekanálové měřicí části se samostatnými A/D převodníky pro dynamická měření
odporových tenzometrů (max. vzorkovací frekvence 6400 Hz na každý kanál, max. počet
připojených tenzometrů 32), paměti typu Compact Flash pro ukládání dat a ethernetového
rozhraní pro přenos dat a řízení systému. Toto rozhranní bude řešeno rovněž bezdrátově za
pomocí WiFi, takže např. bude možno řízení a sběr dat provádět mimo vlastní měřené
zařízení. Součástí měřicího systému bude aplikační software pro ukládání dat a obslužný
software pro zobrazení dat a jejich další zpracování v obslužném počítači. V budoucnu bude
počítáno s vývojem GSM komunikační rozhraní, umožňující dálkovou správu měření a
jednotku GPS pro detekci polohy systému.
Měřicí systém bude vyvíjen v kooperaci s firmou Ing. Pohl, Brno, která se bude podílet na
zhotovení základních modulů systému. Po sestavení a ověření systému tento přejde do
vlastnictví ŠKODA VÝZKUM s.r.o.
Měřicí systém bude ověřen při dlouhodobém laboratorním měření a při dlouhodobém
provozním měření na některém významném celku z oblasti energetického strojírenství a nebo
na vhodně zvoleném vozidle.
Návrh požadavků na funkci měřicího systému.
Návrh procesní jednotky a A/D části na základě existujících modulů, v minulosti
zhotovených firmou Ing. Pohl pro zajištění požadované funkce měřicího systému. Rozpis
jednotlivých nutných materiálových položek a jejich nákup.
Zahájení prací na sestavení základní jednotky systému.
39
Sestavení a zahoření základní jednotky systému.
Návrh a aplikace řídícího software.
Návrh uživatelského software.
Návrh jednotek GSM a GPS.
Laboratorní zkoušky systému.
Příprava dlouhodobé provozní zkoušky.
Dlouhodobá provozní zkouška.
Nejsou požadavky na experimentální materiál.
VYZ 0729/2004
40
VYZ 0729/2004
Vývoj procedur pro vytvoření a naplnění databáze a vyhodnocování
únavových zkoušek
Zodpovědný řešitel dílčího úkolu: Ing. Jan Chvojan (spolupráce: Ing. Jiří Német)
Anotace
Bude provedeno shromáždění všech záznamů evidovaných únavových zkoušek,
prováděných ve ŠKODA VÝZKUM s.r.o. v minulých letech. Předpokládá se, že většina
evidovaných záznamů bude v tabelární formě, většina bude obsahovat údaje o zkoušeném
materiálu (označení materiálu, složení, tepelném zpracování a tvaru vzorku, některé budou
obsahovat grafické znázornění - Wöhlerovy křivky a diagramy, zahrnující vliv střední složky
cyklu).
Bude navržena a odladěna jednotná procedura pro vyhodnocení únavových zkoušek
materiálu v oblasti vysokocyklové únavy včetně grafických výstupů – Wöhlerova křivka a
Smithův diagram. Tyto křivky se budou ukládat do navržené databáze.
Bude navrženo systémové řešení databáze – struktura, druh a počet ukládaných dat a
formulář jednotlivých záznamů. Ten bude obsahovat textové, tabulární a grafické údaje.
Všechna existující data budou zavedena do nově vytvořených formulářů včetně grafického
vyhodnocení a tolerančních mezí.
Součástí databáze by měla být interaktivní procedura pro naplnění jednotlivých záznamů a
nebo šablona listu, vkládaného do databáze, aby přístup k jejímu rozšiřování byl otevřený.
Bude zvolen vhodný softwarový balík pro správu vytvořené databáze. Předpokládáme
použití MS Access, MS Excel, Adobe Acrobat, xml dokument, Lotus Notes a nebo jiný
vhodnější prostředek.
Všechna data budou zatříděna do jednotného databázového systému.
Bude vytvořen prostředek, jak data sdílet s jinými uživateli (např. v rámci ŠKODA
HOLDING a.s.) prostřednictvím sítě Intranet.
Tím budou mít konstruktéři a zkušební technici okamžitě k dispozici údaje o všech
realizovaných únavových zkouškách. Protože se jedná o zkoušky prováděné především v
rámci ŠKODA HOLDING a.s., ušetří to i čas při archivaci jejich vlastních zkoušek,
zadávaných do ŠKODA VÝZKUM s.r.o.
Výsledky všech v budoucnu prováděných únavových zkoušek budou povinně zahrnuty do
navrhované databáze.
41
VYZ 0729/2004
Z archivu ŠKODA VÝZKUM s.r.o. budou vybrány všechny protokoly a výzkumné
zprávy, obsahující únavové zkoušky materiálu a rovněž zprávy, pojednávající o teorii
těchto zkoušek. Obsahem databáze bude nejen vyhodnocená zkouška materiálů, ale rovněž
odkaz na příslušný protokol a obecné teoretické zprávy, zpracované ve ŠKODA
VÝZKUM s.r.o. k této problematice.
Návrh systémového a softwarového řešení databáze.
Návrh formátu záznamu databáze.
Návrh a realizace procedur pro vyhodnocení únavových křivek.
Vyhodnocení únavových křivek podle nově navržených procedur.
Naplnění databáze.
Zveřejnění databáze v síti Intranet.
Nejsou požadavky na experimentální materiál.
42
VYZ 0729/2004
Predikce únavového poškozování na principu magnetostrikce
Zodpovědný řešitel dílčího úkolu: Ing. Jaroslav Václavík
Anotace
Bude provedena výzkumně vývojová studie možnosti využití magnetostrikčnícho jevu a
Barkhausenova šumu pro predikci únavového poškozování materiálu. Zatím se tyto jevy
používají především pro odhady zbytkové nebo skutečné napjatosti strojních součástí.
Některé literární prameny však signalizují citlivost těchto indukovaných magnetických jevů
na změnu textury materiálu a ukazují na korelace mezi únavovým poškozením a úrovní
detekovaného Barkhausenova šumu.
Zkoušky budou prováděny přístrojem ION-C, původně určeným pro měření zbytkové
napjatosti.
Studie bude provedena na vzorcích vybraného typu materiálu v kooperaci s ostatními
středisky.
Pro stanovení závislostí byla vybrána únavová zkouška za ohybu na plochých vzorcích.
Kalibrace systému bude provedena na svědečném vzorku při tahové a tlakové zkoušce při
jednoosé napjatosti. Tento vzorek bude rovněž podroben metalografickému rozboru na
výbrusu venkovních ploch.
Bude sledován vliv úrovně výstupního signálu přístroje ION-C během únavové zkoušky na
různých hladinách jmenovitého napětí v korelaci s údaji tenzometru. Při změně úrovně
signálu bude zkouška přerušena a sledována změna mikrostruktury.
Výsledky studie budou dány do korelace s počtem kmitů do porušení vzorku.
Hledat se bude závislost úrovně/změny úrovně signálu na zbytkové životnosti vzorku.
Studie bude zveřejněna formou výzkumné zprávy.
Možné je zapojení VUT Brno, ústav mechaniky do kooperace, které vlastní podobné, o
něco dokonalejší zařízení (nákup minulý rok, výrobce Stress Tech USA).
Hodnocení únavového poškození bude provedeno i při laboratorní zkoušce reálné součásti
(podvozkového železničního rámu).
43
VYZ 0729/2004
Rešerše, teoretická studie.
Výroba vzorků.
Zkoušky na vzorcích.
Stanovení korelací na základě zkoušek.
Pro každou únavovou zkoušku bude nutno pořídit 20 ks plochých broušených vzorků,
jejichž specifikace je dána v popisu zatěžovacího stroje Schenck pro plochý ohyb (cca 180
x 60 mm, tloušťka cca 6 mm). Navíc pro každý materiál je potřeba po 4 ks svědečných
vzorků pro kalibraci přístroje na základě realizované tahové zkoušky.
Materiál a jeho zdroj předpokládáme ze segmentu dopravního a energetického
strojírenství. Předpokládáme zkoušky na třech typech materiálů, tj. 60 ks vzorků pro
únavové zkoušky a 12 vzorků pro tahové zkoušky.
44
VYZ 0729/2004
Plánované dílčí úkoly č. 3.1 až č. 3.4 slouží k rozšíření potenciálu ŠKODA VÝZKUM
s.r.o. (vývoj nových zkušebních metod, postupů, moderní aplikace softwarové a hardwarové
podpory experimentu) v oblasti výzkumu a testování provozní pevnosti a únavové životnosti
dynamicky namáhaných konstrukcí. V této oblasti se řadí ŠKODA VÝZKUM s.r.o. ke
známým evropským pracovištím – na špičce je zejména v oblasti testování dopravních
prostředků pro veřejnou dopravu (silniční a kolejová vozidla, jejich konstrukční části, uzly a
materiály). Udržení odpovídající úrovně znalostí je proto velmi žádoucí. Doprovázeno bude
rozvojem pravděpodobnostních přístupů pro predikci provozní únavové životnosti.
45
VYZ 0729/2004
4. ROZVOJ METOD ÚNAVOVÝCH ZKOUŠEK
S APLIKACÍ NA OBĚŽNÉ LOPATKY ROTAČNÍCH STROJŮ
K POZNÁNÍ STAVU DEGRADACE MATERIÁLU
Ing. Miroslav Chmelíček, Dr. Ing. Jan Hyrát, Ing. Vladimír Horák
4.1 Úvod
Na životnost a spolehlivost turbín, kompresorů a dalších lopatkových rotačních strojů má
rozhodující vliv správné navržení oběžných lopatek, a to jak z hlediska materiálového, tak i
geometrického. Tyto obě vlastnosti určují dynamické chování oběžné lopatky za provozu. Při
provozu působí na lopatky i další vlivy: teplota, vlhkost, odstředivá síla, buzení od otáčkové
frekvence atd. Je velmi důležité před uvedením lopatek do provozu provést jejich únavové
zkoušky a případně provést optimalizaci jejich původního konstrukčního návrhu.
V rámci výzkumného záměru bude na základě experimentálních ověření studována
degradace materiálu lopatek vystavenému působení cyklického namáhání různých průběhů.
Postupně bude zkoumán i vliv působení vyšších teplot a sledován vliv současného působení
cyklického namáhání a vyšších teplot.
Dále bude vyšetřován vliv působení vysokých frekvencí na degradaci materiálů. Tyto jevy
jsou vyvolány např. aerodynamickými silami a způsobují relativně velmi rychlý vznik poruch.
Je možné stanovit dva hlavní cíle:
- Vypracování postupu pro stanovení degradace mechanických vlastností materiálů
oběžných lopatek turbín vlivem působení dynamických sil.
- Stanovení vlivu vysokých frekvencí na porušování spojů částí konstrukce.
46
VYZ 0729/2004
Ve strojírenské praxi se setkáváme s poruchami hlavně svarových spojů, ve kterých
vznikají lomy způsobené budícími dynamickými silami s relativně malou amplitudou, avšak
s vysokou frekvencí.
Amplitudy kmitání dané strojní části jsou výrazně menší než statická deformace, která by
způsobila ekvivalentní porušení. Jsou rovněž menší než by odpovídalo výchylce, stanovené
z meze únavy daného spoje.
V této etapě bude provedeno experimentální ověření vlivu vysokých frekvencí (jednotky
kHz) na životnost svarových spojů. Dílčí experiment bude připraven tak, aby modeloval spoje
odvodňovacích trubek přívodního parního potrubí turbosoustrojí 1000 MW, na kterém se
poruchy tohoto typu objevovaly nejčastěji.
[1/4] Klesnil, M. – Lukáš, P.: Únava kovových materiálů při mechanickém namáhání. Praha
Academia 1975.
[2/4] Puškár, A. – Golovin, S.: Kumulácia poškodenia v procese únavy. Bratislava, Veda
1981.
[3/4] Sedláček, V. : Únava hliníkových a titanových slitin. SNTL Praha 1989.
[4/4] Pětrovský, V.: Vlastní kmitání velkých systému zkroucených turbinových lopatek.
Výzkumná zpráva ÚVZÚ ŠKODA Plzeň, Sz 4275V, 1982.
[5/4] Puškár, A.: Vysokofrekvenčná únava materiálov. Žilinská univerzita, 1997.
[6/4] Laštovka, B.: Únavové zkoušky koncových lopatek turbiny 1000MW. Výzkumná
zpráva ÚVZÚ ŠKODA Plzeň, VZVÚ 0280, 1990.
47
VYZ 0729/2004
4.3 Dílčí úkoly
Zkušební pracoviště pro únavové zkoušky lopatek rotačních strojů
Zodpovědný řešitel dílčího úkolu: Ing. Miroslav Chmelíček
Anotace
Cílem je zprovoznění pracoviště únavových zkoušek, které bude představovat rekonstrukci
elektromagnetického vibrátoru, vypracování systému využití moderní výpočetní techniky pro
řízení experimentu, sběr dat a vyhodnocování. Zkušební pracoviště bude vybaveno pecí pro
zkoušky za vyšších teplot.
V roce 2004 bude provedena rekonstrukce vibrátoru. V jejím rámci budou provedeny
seřízení elektromagnetického vibrátoru, výměna pružin a stavěcích šroubů, nastavení
výkonových zesilovačů pro paralelní zapojení a nastavení polarizačního zdroje
stejnosměrného proudu. Pro správnou funkci vibrátoru bude nutné sladit výstupní
transformátor a dále regulovaný a řídící generátor. Všechny přístroje musí být zapojeny
s ohledem na elektrickou ochranu – zařízení bude propojeno uzemňovacím kabelem (16
mm2). Nastavení jednotlivých komponentů bude provedeno podle zprávy [7/4]. Po
zprovoznění pracoviště bude provedeno jeho odzkoušení.
[7/4] Hodek, E. – Hyrát, J.: Zařízení a přístrojové vybavení pracoviště pro zkoušky únavové
pevnosti koncových lopatek turbiny 1000 MW. Výzkumná zpráva ÚVZÚ ŠKODA
Plzeň, Sz 4447V, 1985.
Vypracování systému řízení experimentu PC
Pro řízení experimentu bude vytvořen software v programovacím jazyku C+. Tento
program bude ovládat řídící generátor, který bude udávat budící frekvenci pro vibrátor.
Software bude dále ovládat měřící kartu A/D převodníku. Akcelerometr a tenzometr na
zkušebním vzorku bude snímat okamžitý stav zkoušky. Software bude zaznamenávat
průběžný stav a pro zkoušku vykreslí Wöhlerův diagram. Program zajistí stejné podmínky
zkoušek pro všechny shodné vzorky. Budou realizovány vstupní testy zařízení zkouškami
vybraných lopatek rotačních strojů.
48
VYZ 0729/2004
Zkoušení oběžných lopatek rotačních strojů a stanovení degradace
materiálu
Zodpovědný řešitel dílčího úkolu: Ing. Miroslav Chmelíček
Anotace
Cílem bude provést zkoušky na oběžných lopatkách rotačních strojů.
Příprava únavových zkoušek oběžných lopatek
Zejména ve spolupráci se ŠKODA POWER s.r.o. budou vytypovány různé sady oběžných
lopatek pro únavové zkoušky. S cílem stanovit přesné vlastní frekvence a vlastní tvary
kmitů bude provedena modální analýza lopatek. Následně bude provedena únavová
zkouška jedné lopatky. Při zkoušce na následující lopatce bude experiment ukončen dříve
než dojde k jejímu porušení. Lopatka bude předána do odboru Metalografie
k metalografickému rozboru. Bude stanoveno, zda již došlo ke změně struktury. Postupně
budou z dané sady lopatek odzkoušeny všechny jednotlivé lopatky a určen stav degradace
materiálu vlivem působení dynamického namáhání.
Únavové zkoušky lopatek
Budou pokračovat zkoušky na dalších sadách oběžných lopatek. Dále budou prováděny
obdobné zkoušky za vyšších teplot. Na základě provedených experimentů a analýz bude
sepsána metodika ke stanovování predikce degradace materiálu pomocí metalografického
vzorku s ohledem na dynamické namáhání. V případě pozitivní odezvy z experimentů
bude možné určit stav degradace materiálu lopatek z hlediska dynamického namáhání a
dále stanovit vhodný postup, který by již při výrobě lopatky („rodný list lopatky“)
vhodným způsobem popsal budoucí vývoj zestárnutí a odhadl, kdy v provozu provést
výměnu oběžných lopatek za nové.
49
VYZ 0729/2004
Stanovení vlivu vysokých frekvencí na porušování spojů částí konstrukce
Zodpovědný řešitel dílčího úkolu: Dr. Ing. Jan Hyrát (spolupráce Ing. Vladimír Horák)
Anotace
Cílem bude vytvořit vzorky vybraných spojů, provést jejich dokmitání do porušení,
sledovat vliv frekvence na počet kmitů do poruchy.
Studijní etapa, v rámci které bude vypracována rešerše na téma „Únava materiálů při
vysokofrekvenčním buzení“. Dále bude proveden výpočet namáhání MKP modelu
zkušebního vzorku.
Konstrukční práce – návrhy vzorků pro experimenty, výpočty deformací, vlastních
frekvencí a vlastních tvarů kmitů, návrh experimentálního zařízení.
Výroba vzorků pro experimenty, experimentální modální analýza a zatěžování vzorků
kinematickým buzením s různou frekvencí budících sil až do porušení. Zpracování
výsledků, vyhodnocení.
50
VYZ 0729/2004
Bude provedena rekonstrukce stávajícího zařízení pro odkmitávání lopatek. Zařízení bude
upraveno i pro zkoušení meze únavy jiných součástí i tak, aby mohlo být využito pro zjištění
meze únavy lopatek při vyšších teplotách (plánované v následujících letech). Zkušenosti
s řešením problematiky dílčích úkolů budou využity zejména při návrzích turbín do zemí
s teplými klimatickými podmínkami, kde protitlak v kondenzátoru je značně vyšší a koncové
lopatky turbín pracují za vyšších teplot. Řízení experimentu počítačem bude významnou
podporu při dlouhodobých zkouškách a zajistí větší operativnost zkoušek.
51
VYZ 0729/2004
5. VLIV APLIKACE ŽÁROVĚ STŘÍKANÝCH POVLAKŮ
NA ZMĚNY FUNKČNÍCH VLASTNOSTÍ
POVLAKOVANÝCH SOUČÁSTÍ
Ing. Radek Enžl, Ph.D., Ing. Šárka Houdková, Ph.D., Ing. František Zahálka
5.1 Úvod
Žárové nástřiky představují perspektivní technologii poskytující funkčně efektivní povlaky
o tloušťce větší než 50 µm, používané v mnoha odvětvích průmyslu. Tyto flexibilní, vysoce
kvalitní a ekonomické technologie umožňují optimálně přizpůsobit povrchové vlastnosti
součásti provozním podmínkám. To vede k prodloužení životnosti, zvýšení spolehlivosti a
bezpečnosti součásti i k lepší ekonomice daného procesu.
Tradiční aplikace žárově stříkaných povlaků se zaměřují především na ochranu povrchů. V
současné době se objevují aplikace používající povlaky jako funkční povrchy nabízející
alternativu mezi používáním tenkých vrstev a objemových materiálů. V řadě případů energetika, automobilový průmysl, letecký průmysl, chemický a petrochemický průmysl,
lékařství - jsou technologie žárově stříkaných povlaků nezastupitelné a sehrávají klíčovou roli
při výrobě. Jejich praktický dopad na kvalitu výrobků spočívá v technickém a ekonomickém
zvyšování užitných vlastností jak v prvovýrobě, tak i v oblasti renovací:
- odolnost proti mechanickému opotřebení (abraze, eroze, kavitace),
- vynikající tribologické vlastnosti (samomazné, kluzné, těsnící povlaky),
- odolnost proti oxidaci, korozi a proti působení agresivního chemického prostředí,
- odolnost proti extrémně vysokým teplotám,
- doplnění rozměrů, doplnění chybějícího materiálu,
- elektroizolační a elektrovodivé povlaky,
- biokompatibilní, zdravotně nezávadné povlaky,
- povlaky se speciálními fyzikálními vlastnostmi (supravodivost, optika, odolnost proti
záření, iontově reagující povlaky),
- dekorativní povlaky.
Vhodná volba materiálu a technologie přípravy žárového nástřiku pro jednotlivé aplikace
je závislá na znalosti vlastností nástřiků. Tato znalost umožňuje též predikovat životnost
povlaků v různých režimech zatěžování, což je jednou ze základních podmínek aplikace
povlaků ve všech oblastech průmyslu. Kontrola a hodnocení mechanických vlastností jsou
nutnou součástí procesu optimalizace parametrů nástřiku. Ačkoli je souvislost mezi
strukturou, kvalitou mechanických vlastností a životností povlaků zřejmá, je této oblasti
doposud věnována pouze povrchní pozornost.
52
VYZ 0729/2004
5.2 Rešerše – popis výchozího stavu, trendy a směry výzkumu
Vlastnosti objemových materiálů jsou v současné době téměř na hranici svých možností,
proto se pozornost odborníků ve světě stále více upírá na zlepšení povrchových vlastností
materiálů. Jednou z možností je použití perspektivních technologií žárového nástřiku pro
vytváření povrchových vrstev o tloušťce větší než 50 µm, poskytující funkčně efektivní
povlaky používané v mnoha odvětvích průmyslu. Používáním těchto flexibilních, vysoce
kvalitních a ekonomických technologií je možné optimálně přizpůsobit povrchové vlastnosti
součásti podmínkám, ve kterých daná součást pracuje. Úspěšná aplikace žárového nástřiku
obecně zvyšuje provozní spolehlivost povlakovaných dílů a komponent, umožňuje jejich
funkci ve zcela specifických podmínkách provozu, přináší velké finanční úspory a je
základem pro nová nekonvenční technická řešení a široké aplikační využití ve sféře
průmyslové praxe.
Aby bylo možno stanovit nejvhodnější oblast použití konkrétních typů žárových nástřiků a
predikovat jejich chování a životnost v daných provozních podmínkách, je nutné zcela
rozumět vztahům mezi parametry procesu nástřiku, mikrostrukturou a vlastnostmi povlaků.
Žárové nástřiky se, v důsledku použité technologie nanášení, výrazně liší od objemových
materiálů shodného chemického složení. Princip depozice je založen na natavení a urychlení
malých částic přídavného materiálu směrem k povlakované součásti, kde dochází k jeho
rozprostření a rychlému utuhnutí. To vede ke vzniku povlaku s charakteristickou lamelární
strukturou a specifickými vlastnostmi. Technologický proces zaručuje teploty povlakované
součásti hluboko pod teplotou fázově-strukturních přeměn (cca 80 - 120 °C), což brání
nežádoucím deformacím součásti.
V oblasti žárových nástřiků si stále větší popularitu, již od svého vyvinutí a komercializace
(polovina 80. let), získává vysokorychlostní nástřik plamenem (dále jen HVOF - High
Velocity Oxygen Fuel), a to zejména pro nástřik cermetových povlaků. Tato technologie je
založena na speciálním designu hořáku, ve kterém spaliny prudce expandují na konci trysky a
tím dochází k dramatickému urychlení spalin. Teplot nutných k dosažení natavení přídavného
materiálu je dosahováno spalováním. Při pečlivé volbě parametrů podávání prášku a zajištění
jeho transportu do centra plamene, dojde k jeho urychlení na supersonické rychlosti. Proto při
dopadu částice na substrát dojde k jeho rozprostření na splat, který je velmi dobře spojený se
základním materiálem a okolními částicemi. Hlavní předností HVOF stříkaných povlaků je
nízká pórovitost (<1 %), vysoká přilnavost (>80 MPa), nízký obsah oxidů (<1 %) i při
nástřiku reaktivních kovů. Nejnovější hořáky pro HVOF nástřik, tzv. hořáky 3. generace
(TAFA JP-5000, DJ 2600, DJ 2700, JetKote II), navíc umožňují při vhodné volbě
depozičních parametrů vytvářet povlaky v tlakovém pnutí, což je velice příznivé pro únavové
vlastnosti povlakované součásti. Tlakové pnutí současně umožňuje nanášet povlak
o tloušťkách až několik mm [1,2,3,4,5,6/5]. Uvedené vlastnosti předurčují tyto povlaky pro
nejnáročnější aplikace.
53
VYZ 0729/2004
Vynikající vlastnosti žárových nástřiků jsou však silně závislé na jejich mikrostruktuře.
Mikrostruktura žárových nástřiků vždy obsahuje určité množství defektů: nenatavených
částic, oxidů, pórů atd. Jejich množství je závislé především na depozičních parametrech.
Správná volba parametrů nástřiku, zejména teploty plamene, rychlosti částic, depoziční
vzdálenosti atd. má na kvalitu nástřiků přímý vliv.
Technologie HVOF byla vyvinuta hlavně pro nástřik cermetových povlaků, používaných
pro zvýšení odolnosti povlakovaných součástí proti všem typům opotřebení. V současné době
nejpoužívanějšími druhy cermetových povlaků jsou povlaky na bázi WC a Cr3C2 s různými
typy matrice (Co, Ni, CoCr, NiCr atd.). WC-Co povlaky vykazují vynikající odolnost proti
opotřebení. Přidáním Cr do matrice lze zvýšit jejich nižší odolnost proti korozi a oxidaci.
Vynikající korozivzdornosti a odolnosti proti oxidaci dokonce i za vysokých teplot dosahuje
povlak Cr3C2-NiCr. Obdobné vlastnosti má i nově vyvinutý povlak na bázi na TiC. TiC je
dalším z tvrdých materiálů, atraktivních jak z vědeckého, tak praktického hlediska. Jeho
největšími dosud popsanými přínosy je nízká hustota, vysoká tvrdost a vysoká vzájemná
slévatelnost tvrdých fází a kovové matrice. Povlaky na bázi TiC vykazují pouze střední
odolnost proti opotřebení, avšak vynikající odolnost proti korozi a oxidaci.
Pro hodnocení vlastností povlaků odolných proti opotřebení byla již vyvinuta nebo
modifikována celá řada metod. Velmi často používanou metodou jsou indentační zkoušky,
které poskytují informace jak o tvrdosti a mikrotvrdosti povlaků, tak i o celé řadě dalších
vlastností. Indentace Knoopovým indentorem umožňuje hodnotit elastický modul pružnosti
povlaků [7/5]. Vickersovy indentace lze použít pro stanovení lomové houževnatosti žárových
nástřiků [8,9/5] i pro hodnocení kvality přilnutí nástřiku k základnímu materiálu [10/5].
Během všech typů indentačních zkoušek lze detekovat signály AE a stanovit tak míru
pórovitosti povlaků [11/5]. Pro detailní analýzu jednotlivých strukturních elementů lze
aplikovat nanoindentační měření s velmi nízkým zatížením, které umožňuje též sledovat
lokální změny po erozivních, abrazivních nebo korozních zkouškách. Modifikovaná
indentační zkouška, tzv. scratch test, může být použit pro hodnocení adhezivní a kohezivní
pevnosti nástřiků i pro stanovení odolnosti proti opotřebení [12,13/5].
Odolnost nástřiků proti opotřebení může být hodnocena i přímo, použitím zkoušek
vyvinutých pro tento účel. Odolnost proti abrazivnímu opotřebení stanovují tzv. tribometry,
založené na různých principech: block-on-ring [14/5], pin-on-drum [15/5], block-on-disc [16,
17/5], ball-on-disc [18/5]. Pro účely stanovení odolnosti proti opotřebení slouží i dry
sand/rubber-wheel abrasion test [19,20/5], jejíž průběh a podmínky určuje ASTM G65.
Odolnost proti erozivnímu opotřebení je obvykle hodnocena pomocí zkoušky dle ASTM G
76, založené na dopadu Al2O3 částic na povlakovaný povrch pod různými úhly [16/5].
Povlakované součásti často pracují v podmínkách, které vystavují její povrch působení
korozně agresivních látek. Odolnost proti korozi a oxidaci i za zvýšených teplot je proto
neméně důležitým faktorem při výběru vhodného typu povlaku.
54
VYZ 0729/2004
HVOF povlak WC-Co nachází uplatnění zejména v nekorozních prostředích a za teplot
nepřesahujících cca 590 °C, a to z toho důvodu, že oxidační produkty vzniklé z WC-Co
nemají pasivační účinky, tj. nebrání další oxidaci jako např. Cr2O3 [17, 18, 19, 20/5]. Oproti
tomu limitní teplota použití povlaku Cr3C2-NiCr se uvádí většinou 900 °C [19, 21, 22, 23, 24,
25/5] bez bližšího vysvětlení, jak se došlo k této hodnotě. Limitní teplota je určena
pravděpodobně stupněm oxidace povlaku a každý z autorů považuje za významný pro použití
povlaku jiný stupeň oxidace. Dalším omezením je jistě i pokles tvrdosti. Při teplotách nad 800
°C již dochází u Cr3C2-NiCr k rychlému poklesu tvrdosti [22/5]. Za zaručenou horní hranici
použití z hlediska oxidační odolnosti a tvrdosti lze tedy považovat teplotu 800 °C s tím, že pro
vyšší pracovní teploty by bylo třeba provedení provozních zkoušek.
Vysokoteplotními vlastnostmi se zabýval především Berger [17/5] a Hidalgo [26/5]. Ti
potvrzují vysokou oxidační odolnost cermetu na vzduchu, kde oxidace je omezena pouze
na vnější povrch částic prášku nebo povlaku. Cr3C2 má nejvyšší oxidační odolnost ze všech
karbidů přechodových kovů a na jeho povrchu se tvoří pasivační vrstvička Cr2O3. U žárově
stříkaného cermetu Cr3C2-NiCr se vyskytují karbidy Cr7C3 a Cr23C6 jako produkty oxidace,
ale je obtížné je detekovat. Také lze v nastříkaném povlaku rentgenovou difrakcí zjistit Cr2O3,
zatímco snížení obsahu uhlíku lze zjistit chemickou analýzou. K oxidaci Cr3C2 dochází
přibližně od 750 °C, u cermetu Cr3C2-NiCr dochází pravděpodobně vlivem matrice k posunu
o 50 °C a cermet začíná intenzivně oxidovat při teplotách nad 800 °C. Prášek Cr3C2-NiCr,
který zkoumal Berger, obsahoval pouze stopy Cr2O3 po tepelném zpracování na teplotu
600 °C, dokonce při 800 °C byly intenzity Cr2O3 nízké.
Vystavení cermetových nástřiků působení vysoké teploty vede kromě oxidace povrchu
povlaku i dalším strukturním změnám, souvisejícím se změnami mechanických vlastností,
jejichž princip nebyl ještě zcela objasněn. Tyto změny souvisí pravděpodobně s krystalizací
amorfních fází, vzniklých v povlaku po nástřiku v důsledku rychlého ochlazení [20, 25,27/5].
[1/5] Schwetzke, R. – Zimmermann, S.: High Velocity Oxy-Fuel Spraying Process and
Coatings Characteristics. 9th National Thermal Spray Conference 1996, Ohio, USA.
[2/5] Berger, L.M.: Structure, Properties and Potencials of WC-Co, Cr3C2-NiCr and TiC-Ni
based Hardmetal Like Coatings. 9th National Thermal Spray Conference 1997,
Cincinnati, USA.
[3/5] Khan, M.S. – Clyne, T.W.: Microstructure and Abrasion Resistance of Plasma Sprayed
Cermet Coatings. 9th National Thermal Spray Conference 1996, Ohio, USA.
[4/5] Laul, K. – Dorfman, M.: New Chromium Carbide – Nickel Chrome Materials for High
Temperature Wear Applications. 1st International Thermal Spray Conference, 2000,
Montreal, Canada.
[5/5] Tobe, S.: High Temperature Corrosion Resistance of Newly Developed Cr-Based Alloy
Coatings. The United Thermal Spray Conference 1999, Düsseldorf, Germany.
[6/5] Zimmermann, S. – Kreye, H.: Chromium Carbide Coatings Produced with Various
HVOF Spray Systems. 9th National Thermal Spray Conference 1997, Cincinnati, USA.
55
VYZ 0729/2004
[7/5] Kim, H.J. – Kweon, Y.G.: Thin Solid Films 342. 1999, p. 201.
[8/5] Xie, Y. – Hawthorne, H.M.: Wear 233-235. 1999, p. 293.
[9/5] Lasage, J.: International School on Advanced Material Science and Technology. 27th
August-1st September 2000, Jesi-Ancona.
[10/5] Lasage, J. – Chicot, D.: Surf. Eng. 15. 1999, p. 447.
[11/5] Safai, S. et al: Am. Ceram. Soc. Bull. 58. 1979, p. 624.
[12/5] Xie, Y. – Hawthorne, H.M.: Wear 240. 2000, p. 65.
[13/5] Xie, Y. – Hawthorne, H.M.: Wear 233-235. 1999, p. 293.
[14/5] Li, J. – Zhang, Y. – Huang, J. – Ding, C.: Journal of Thermal Spray Technology. Vol 7,
(2), 1998, p. 242.
[15/5] Erickson, L.C. – Hawthorne, H.M. – Troczynski, T.: Wear 250. 2001, p. 569.
[16/5] Wayene, S.F. – Sampath, S.: Journal of Thermal Spray Technology. Vol 1 (4), 1992, p.
307.
[17/5] Berger, L.-M.: Proceedings of the 15th International Thermal Spray Conference. 1998,
Nice, France, p. 75.
[18/5] Khan, M.S. – Clyne, T.W.: Proceedings of the 9th National Thermal Spray Conference.
1996, Materials Park, Ohio, USA, p. 113.
[19/5] Irons, G. – Kratochvil, W. – Schroeder, M.: Proceedings of the 9th National Thermal
Spray Conference. 1996, Materials Park, Ohio, USA, p. 39.
[20/5] Enžl, R.: Vysokorychlostní nástřik povlaků na bázi karbidu wolframu. Disertační práce,
KFY FAV ZČU, 2001.
[21/5] Vuoristo, P. et al.: Proceedings of the 8th National Thermal Spray Conference. Houston,
ASM International September 1995, p. 309-315
[22/5] Berger, L.-M. et al.: In: Proceedings of the 9th National Thermal Spray Conference.
Cincinnati, ASM International October 1996, p. 89-96.
[23/5] Zimmermann, S. – Kreye, H: Proceedings of the 9th National Thermal Spray
Conference. Cincinnati, ASM International October 1996, p. 147-152.
[24/5] Guilemany, J.M. – Calero, J.A.: Proceedings of the 1st United Thermal Spray
Conference. Indianapolis, ASM International September 1997, p. 717-721.
[25/5] Fiala, P.: Žárový nástřik povlaků na bázi karbidu chromu. Disertační práce, KMM FST
ZČU, 2000.
[26/5] Hidalgo, V.H. - Varela, F.J.B. - Martínez, S.P.: Proceedings of the United Thermal
Spray Conference. Duesseldorf, DVS March 1999, p. 683-686.
[27/5] Schwetzke, R. – Kreye, H.: Journal of Thermal Spray Technology. Volume 8(3), 1999,
p. 433.
56
VYZ 0729/2004
5.3 Dílčí úkoly
Vývoj a inovace metodik hodnocení vlastností povlaků odolných proti
opotřebení
Zodpovědný řešitel dílčího úkolu: Ing. Radek Enžl, Ph.D.
Anotace
Hlavním cílem je vypracování metodik hodnocení povrchových vlastností součástí
opatřených žárovým nástřikem, s ohledem na jejich odolnost proti mechanickému poškození
různými druhy opotřebení. Východiskem budou stávající metody hodnocení povrchových
vlastností (tvrdost, mikrotvrdost, odolnost proti abrazivnímu, adhezivnímu, erozivnímu
opotřebení atd.), které budou přizpůsobeny požadavkům žárových nástřiků, plynoucím
z jejich unikátní mikrostruktury.
Rešerše řešené problematiky, shromáždění informací týkajících se jednotlivých metod
hodnocení.
Návrh a konstrukce zařízení pro hodnocení odolnosti proti abrazivnímu opotřebení na
principu dry sand/rubber-wheel abrasion test.
Vytypování žárových nástřiků s vysokou odolností proti opotřebení.
Příprava experimentálního materiálu.
Vývoj metodik hodnocení za použití objemových materiálů se známými vlastnostmi.
Aplikace vyvinutých metod na vybrané žárové nástřiky s ověřeným chováním.
Hodnocení povrchových vlastností součástí bez otěruvzdorných povlaků i povlakovaných
součástí.
Korelace výsledků měření.
Tvorba metodických postupů pro jednotlivé zkoušky.
Jako zkušební vzorky budou použity jak objemové materiály součástí bez povrchových
ochran, tak vzorky opatřené žárovým nástřikem. Jejich velikost, tvar a počet bude vycházet
z požadavků vyvíjených metod hodnocení a zpětné vazby z jejich zavádění.
57
VYZ 0729/2004
Studium vysokoteplotního chování žárových nástřiků
Anotace
Cílem je sledování změn struktury, vlastností a životnosti žárových nástřiků vystavených
působení vysoké teploty. Sledována bude míra oxidace povrchu povlaků, vedoucí
k znehodnocení povlaku coby povrchové ochrany, i další případné strukturní změny.
Pozornost bude věnována degradaci mechanických vlastností v souvislosti s působením
vysoké teploty.
Podrobná literární rešerše řešené problematiky.
Vytypování vhodných druhů žárových nástřiků.
Nástřik vzorků pro tepelné zpracování.
Tepelné zpracování žárových nástřiků.
Stanovení míry oxidace povrchů žárových nástřiků.
Provádění zkoušek vysokoteplotního chování žárových nástřiků (TA, TGA atd.).
Rozbor změn mikrostruktury žárových nástřiků pomocí OM, EM, rentgenové difrakce.
Stanovení degradace mechanických vlastností.
Stanovení limitní teploty použití jednotlivých druhů žárových nástřiků.
Pro experiment budou připraveny vzorky žárových nástřiků, připravených metodou
HVOF, nástřiku elektrickým obloukem a případně plazmaticky stříkané povlaky. Jejich
velikost, tvar a počet bude vycházet z požadavků použitých analýz a zpětné vazby z nich.
58
VYZ 0729/2004
Vliv nástřiku pod úhlem na depoziční účinnost a vlastnosti povlaku tvarově
složitých součástí
Anotace
V rámci dílčího úkolu bude sledován vliv nástřiku pod úhlem na depoziční účinnost
procesu a současně na mikrostrukturu a vlastnosti takto vytvořeného povlaku. Zkoumána
bude zejména míra pórovitosti, kvalita rozprostření částic, povrchová drsnost a mechanické
vlastnosti žárových nástřiků stříkaných pod úhlem. Na základě získaných informací budou
stanoveny vhodné podmínky pro nástřik tvarově složitých součástí programovatelným
robotem.
Studium řešené problematiky.
Výběrové řízení a nákup robota.
Instalace robota.
Nástřik vzorků povlaků pod různými úhly.
Hodnocení depoziční účinnosti.
Hodnocení vlivu úhlu nástřiku na mikrostrukturu a vlastnosti povlaků.
Stanovení parametrů pro nástřik tvarově složitých součástí.
Vytvoření postupů pro nástřik tvarově složitých součástí pomocí robota.
Pro studium vlivu úhlu nástřiku na strukturu a vlastnosti povlaků budou připraveny vzorky
o rozměrech cca 20 x 30 mm. Pro optimalizaci práce robota budou zvoleny rozměry
vzorků simulující reálné tvarově složité součásti. Jejich množství bude určeno potřebou
prováděných zkoušek a zpětné vazby z nich.
59
VYZ 0729/2004
Výsledky získané při řešení dílčích úkolů č. 5.1 až č. 5.3 umožní efektivní prodloužení a
predikci životnosti povlakovaných součástí, namáhaných opotřebením (dílčí úkol č. 5.1) či
vysokou teplotou (dílčí úkol č. 5.2). Oba typy součástí jsou hojně využívány jak v dopravním,
tak v energetickém průmyslu. Zejména povlaky, kombinující odolnost proti korozi, erozi,
abrazi, kavitaci a proti vysoké teplotě, umožňují výrazné zvýšení životnosti součástí
energetického průmyslu (renovace povrchu rozváděcích a oběžných lopatek, částí tělesa
turbíny, roštů fluidních kotlů, výměníků tepla, čerpadel, ventilátorů apod.). Povlaky odolné
proti mechanickému opotřebení s vynikajícími kluznými vlastnostmi se uplatňují při zvýšení
užitných vlastností i renovaci opotřebených unikátních a finančně náročných dílů.
Vypracování postupů pro nástřik tvarově složitých součástí pomocí robota zefektivní
a zkvalitní výrobu všech typů povlakovaných součástí.
60
VYZ 0729/2004
6. STUDIUM STÁRNUTÍ MATERIÁLU
POMOCÍ METODY DILATOMETRIE
RNDr. Petr Franče
6.1 Úvod
Výzkum bude zaměřen zejména do oblastí:
Hodnocení stupně degradace mechanických vlastností vybraných konstrukčních materiálů
po aplikovaném mechanickém a mechanicko-tepelném namáhání v laboratorních
podmínkách. Konfrontace laboratorních výsledků s reálně degradovanými strukturami.
Dilatometrická analýza je založena na sledování změn rozměrů vzorků, k nimž dochází
následkem přeskupení atomů v krystalové mřížce při změně teploty. Používá se k určení
průběhu fázových přeměn v tuhém stavu při ohřevu nebo ochlazování. Z dilatometrické
křivky lze stanovit součinitel délkové teplotní roztažnosti, popřípadě závislost součinitele
délkové teplotní roztažnosti na teplotě; lze také stanovit teplotu změny magnetických
vlastností (Curieho teplotu). Metoda rovněž umožňuje sledovat průběh izotermické přeměny
za zvýšené teploty, používá se ke stanovení kritických teplot při ohřevu a ochlazení kovů a
slitin. V kombinaci s metalografickou analýzou slouží ke konstrukci diagramů IRA a ARA
ocelí. Velká teplotní roztažnost např. austenitických CrNi(Mo) ocelí omezuje jejich použití
v tepelných elektrárnách s cyklickým provozem pro nebezpečí vzniku únavového poškození
materiálu [1/6].
Teplotní objemová roztažnost
γ=(1/Vo)*(dV/dT) ,
teplotní součinitel délkové roztažnosti je definován
α=(l/Lo)*(dL/dT)
pro izotropní materiály platí γ=3*α pro α<=10-4 K-1 .
61
VYZ 0729/2004
U anizotropních materiálů je nutno vyjádřit součinitel délkové teplotní roztažnosti ve
směru hlavní osy a v rovině k ní kolmé. Pak platí
γ=α||+2*α⊥
.
Teplotní závislost součinitele délkové teplotní roztažnosti se vyjadřuje nejčastěji
parabolickou rovnicí. Například u martenzitické oceli typu F 82 H může být popsán αm(20800;C) jednoduchou parabolickou rovnicí [11/6] nebo se používá polynomů vyšších řádů.
αm(20-Θ;C= 9,0955+4,6477*10-3*(Θ+ 273)-1,2141*10-3*(Θ+ 273)2
kde αm(20-Θ;C je v 10-6 K-1 a Θ je ve °C.
Nad 800 °C ostrá změna součinitele délkové teplotní roztažnosti omezuje platnost rovnice.
Teplotní délková roztažnost je nepřímo úměrná modulu pružnosti a atomovému objemu
E= konst./( αl*VA) .
Stárnutí ocelí
Rozpad přesyceného roztoku označujeme souborně jako stárnutí. Výrazným dílčím
pochodem stárnutí je precipitace, která následuje po předprecipitačních jevech (koncentrační
rozdíly, nukleace, růst zárodků atd.).
Vylučování nitridu železa je jedním z typů stárnutí oceli. Jsou k němu zvlášť náchylné
měkké oceli, pokud obsahují větší množství dusíku. Stárnutí probíhá samovolně již při
pokojové teplotě, rovnovážného stavu se však dosahuje za značně dlouhou dobu. Stárnutí je
podporováno deformací za studena a následujícím ohřevem deformovaného materiálu na
teploty 200-250 °C. Vylučování nitridu má nepříznivý vliv na vlastnosti materiálu. Zvyšuje
mez kluzu, pevnost a tvrdost, zmenšuje plastické vlastnosti a zvyšuje přechodovou teplotu.
Stárnutí je nebezpečné pro měkké oceli a pro úzká teplotně ovlivněná pásma materiálu v okolí
svaru a také pro oceli, které pracují trvale v oblasti teplot 200-300 °C. Ocel zkřehlou vlivem
stárnutí lze regenerovat ohřevem do oblasti teplot homogenního tuhého roztoku udanou
rovnovážným diagramem soustavy Fe-N. Takové zpracování vede k úplnému rozpuštění
vyloučených nitridů. Při žíhání je však třeba ocel rychle ochladit, aby se z tuhého roztoku
nitrid opět nevyloučil. Ocel tím sice získá svoje původní mechanické vlastnosti, avšak
náchylnost k novému stárnutí tím není odstraněna. Náchylnost ke stárnutí lze značně zmenšit
přísadou prvků, které mají větší afinitu k dusíku než železo, tj. hliníku, titanu křemíku a
vanadu.
62
VYZ 0729/2004
Z neželezných slitin bylo studováno stárnutí na slitině Al-Cu se 4 % Cu při různých
teplotách. V práci [2/6] jsou uvedeny křivky změn dilatace při stárnutí; rozlišuje se stárnutí
umělé a přirozené. Dilatace a kontrakce slitiny je vysvětlována částečně koherentními
precipitáty a koherentními precipitáty.
Pro přechodové spoje feritických a austenitických ocelí představuje vážný problém rozdíl
v koeficientu tepelné roztažnosti materiálů. Cesta, jak tento jev zmírnit je ve využití
kombinace tří kovů pomocí kovu, jehož koeficient tepelné roztažnosti leží mezi feritickými a
austenitickými ocelemi. Podobného řešení se používá ve sklářství při spojování skel s
rozdílným koeficientem tepelné roztažnosti, kdy se sklo plášťuje mezisklem. Upravená 9Cr1Mo ocel byla spojena s austenitickou nerezovou ocelí 316LN použitím ALLOY 800 jako
mezikov. Svár mezi ALLOY 800 a 316LN byl proveden za pomocí přídavného materiálu
INCONEL182. To bylo exponováno 5000 hodin při teplotě 625 °C. Po 500 hodinách
struktura a mechanické vlastnosti zůstaly nezměněny. V intervalu 2000-5000 hodin je patrný
značný nárůst tvrdosti a pokles houževnatosti, způsobené precipitací Ni3Ti a karbidové fáze
NbC a M23C6. Měření změny koeficientu tepelné roztažnosti nebylo bohužel provedeno.
Efekt koeficientu tepelné roztažnosti na martenzitickou transformaci v ocelové matrici
keramických kompozitů byl studován ve [4/6]. Protože technologicky zajímavé ocelové
výztuže kompozitů mají v mnoha případech martenzitickou strukturu matrixe, efekt částicové
výztuže na rozklad austenitu a vznik martenzitu v ocelové matrixi kompozitů byl předmětem
této práce.
Charakteristiky vysoce tepelně odolné a tlakovému vodíku odolné oceli X10CrMoVNb91
(P91) oceli a jejímu zpracování při svařování se věnuje práce [5/6], kde jsou diskutovány
odolnost proti tečení a svařovací charakteristiky. Mikrostrukturální změny ve vztahu k teplotě
a rychlosti chlazení jsou popsány vzhledem k odolnosti koroze napětím a tvorbě trhlin za
studena. Udržení tvrdosti a chování při stárnutí bylo rovněž zkoušeno společně s její pevností
na mezi kluzu, bodem zlomu a vrubovou houževnatostí. Dále byla zkoušena korozní odolnost,
teplotní roztažnost, tepelná vodivost a svařitelnost.
Vlastnosti feritické oceli 9Cr-1.8W-0,5Mo-Nb-V s vysokou odolností proti tečení pro ultra
super kritické parametry páry byly publikovány v [6/6]. Ocel byla vyvinuta pro kotlové
trubice. Fyzikální vlastnosti oceli, koeficient tepelné roztažnosti, tepelná vodivost a modul
pružnosti při zvýšené teplotě byly srovnávány s konvenčními ocelemi; transformační chování
oceli bylo zkoumáno. Množství precipitátů, MX, M23C6 a Lavesovy fáze po stárnutí byly
měřeny a srovnány s hodnotami vypočítanými pomocí metody Thermo-Calc. Tahové,
pevnostní zkoušky a zkoušky tečení po 45000 hodinách byly získány. Larson-Millerovi
parametrické vztahy pro pevnost a minimální rychlost tečení pro vyvinutou ocel jsou
uvedeny. Změny pevnosti během stárnutí při 600 °C po 44000 hodinách byly naměřeny.
Maximální dovolené napětí je pro tuto ocel přibližně o 35 % vyšší při 600 °C než u upravené
9Cr-1Mo oceli.
63
VYZ 0729/2004
Vlastnosti oceli SCh15 určené k výrobě forem byly studovány tepelným cyklováním
v rozsahu pokojové teploty a 1000 °C. Po 5-8 cyklech se objeví maximální napětí způsobené
úplnou feritizací a zvýšením koeficientu tepelné roztažnosti a také mechanismy stárnutí [7/6].
Výzkum precipitace z pevného roztoku oceli 9G28Yu9MVB pro stanovení optimálních
podmínek pro termální zpracování za účelem vysokých mechanických vlastností a dobré
obrobitelnosti byl proveden metodami DTA, tepelné expanze a měrného odporu. Zlepšení
obrobitelnosti bylo dosaženo při tepelném zpracování v rozsahu 650-750 °C s nejlepším
výsledkem při zpracování při 700 °C [8/6].
Byl popsán vývoj nové vysoce manganové austenitické nemagnetické oceli AM2 s dobrou
obrobitelností, svařitelností, korozní odolností a únavovými vlastnostmi; byl studován vliv
složení na rázovou pevnost, magnetickou permeabilitu a tepelnou roztažnost [9/6]. Data jsou
uvedena pro pevnost v tahu, rázovou pevnost, permeabilitu, ohyb, stárnutí a atmosférickou
korozi a korozi mořskou vodou.
Tepelná expanze titanem modifikovaných austenitických nerezových ocelí označených
jako D9 byla studována měřením mřížkového parametru buňky jako funkce teploty v rozsahu
300-1300 K pomocí vysokoteplotní RTG difrakce. Takto získaná data o tepelné expanzi jsou
v dobrém souhlasu s daty typické teplotní roztažnosti publikovaných pro podobnou třídu
austenitických nerezových ocelí. Při teplotách převyšujících 900 K měřená tepelná roztažnost
vykazuje nelineární nárůst, který je způsoben precipitací komplexních karbidů a
intermetalických fází. Vysokoteplotní data tepelné expanze jsou v práci upravena
modelováním nízkoteplotního chování roztažnosti pomocí Grüneisenova formalismu [10/6].
Jak je patrné z literární rešerše, jsou údaje o měření dilatace materiálu po stárnutí ocelí
velmi sporé a problém není dostatečně popsán. V situaci periodicky nabíhajících turbín by
výpočty na základě znalosti koeficientu tepelné roztažnosti a jeho závislosti na teplotě a na
časovém driftu, s pomocí teorie nestacionárního teplotního pole a napjatosti, napomohly
k výpočtům napjatosti v strojních součástech. Pomocí znalostí mechanických vlastností,
lomové mechaniky, tečení, únavy by bylo možné předpovídat přesněji životnost strojních
součástí.
Na základě předložené studie se navrhuje v první etapě proměřit dilatační křivky
vybraných panenských ocelí. Výběr ocelí by měl korespondovat s typy, u nichž budou
měřeny také mechanické vlastnosti a prováděn jejich metalografický rozbor a zároveň jsou (a
nebo budou) k dispozici vzorky po creepovém testu. Ve druhé etapě budou naměřeny vzorky
podrobené tečení a je navrženo měřit roztažnost ve směru působení deformace a ve směru
kolmém. V závěrečné etapě budou vyhodnoceny rozdíly v závislosti na chemickém složení a
metalografické struktuře materiálu.
64
VYZ 0729/2004
[1/6] Thornton, D.V. – Mayer, K.H.: Proc. Advanced heat resistant steels for power
generation. R.Viswanathan et al. Eds., IOM, London 1999, 349.
[2/6] Lankes, J.Ch. – Wassemann, G.: Z. Metallkunde 41. (1950), 381.
[3/6] Sireesha, M. – Albert, S.K. – Sundaresan, S.: Material Science and Technology.
Vol.19, No.10, pp. 1411-1417, Oct. 2003.
[4/6] Pagounis, E. – Haimi, E. – Pietikainen, J. – Talvitie, M. – Vahvaselka, S. – Lindroos,
V.K.: Scripta Materialia. Vol. 34, No. 3, pp. 407-413, Feb. 1996.
[5/6] Bendick, W. – Haarmann, K. – Wellnitz, G. – Zschau, M.: DVS Berichte No.164.
Welding in the Construction of Plant and Containers. Proceedings Conference, Munich;
15-17 Feb.1995, pp. 31-35, 1995.
[6/6] Mimura, H. – Ohgami, M. – Naoi, H. – Fujita, T.: Materials for Advanced Power
Engineering 1994. Liege; Belgium; 3-6 Oct.1994, pp. 361-372, 1994.
[7/6] Skrebtsov, A.M. – Krašeninnikova. M.G. – Pavljuk, B.A. – Demčenko, Ju.A.: Izvestija
vyšich učebnych zavedenij. Černaja metallurgija, No. 5, pp. 72-74, 1994.
[8/6] Božko, S.A.: Metallovedenje i termičeskaja obrabotka mettalov. No. 3, pp. 14-17,
1988.
[9/6] Ohtani, H. – Miura, M. – Okada, Y. – Matsuoka, T. – Egashira, H. – Nagata, S. –
Watanabe, Y. – Sato, K.: Sumitomo Search. No. 28, pp. 27-40, Oct. 1983.
[10/6] Jose, R. – Raju, S. – Divakar, R. – Mohandas, E. – Panneerselvam, G. – Antony, M.P.
– Sivasubramanian, K.: Journal of Nuclear Materials 317. (2003), pp. 54-61.
[11/6] Tavassoli, A.-A.F. – Rensman, J.-W. – Schirra, M. – Shiba, K.: Fusion Engineering and
Design 61-62. (2002), pp. 617-628.
65
VYZ 0729/2004
6.3 Dílčí úkoly
Studium stárnutí materiálu pomocí metody dilatometrie
Zodpovědný řešitel dílčího úkolu: RNDr. Petr Franče
Anotace
Proběhne měření změn dilatometrického chování vybraných druhů ocelí po a před tečením
v žáru a po aplikovaném mechanickém a mechanicko-tepelném namáhání v laboratorních
podmínkách. Výsledky měření budou srovnány s metalografickými a mechanickými
vlastnostmi ocelí.
Plánované období řešení dílčího úkolu: 2004-2006
Zajištění literární rešerše z oblasti změn dilatometrického chování ocelí po creepu a po
aplikovaném mechanickém a mechanicko-tepelném namáhání v laboratorních
podmínkách.
Změření dilatometrických křivek vybraných druhů ocelí před a po creepu a po
aplikovaném mechanickém a mechanicko-tepelném namáhání v laboratorních
podmínkách.
Porovnání a vyhodnocení výsledků dilatometrických křivek a srovnání s výsledky
metalografie a mechanických zkoušek, sepsání závěrečné zprávy.
Zkušební vzorky budou zajištěny ve spolupráci s ostatními dílčími úkoly a pro
dilatometrická měření budou upraveny v mechanické dílně.
66
VYZ 0729/2004
Tabelované hodnoty roztažností před, ale hlavně po creepu a po aplikovaném
mechanickém a mechanicko-tepelném namáhání v laboratorních podmínkách mohou sloužit
pro výpočty šokových ohřevů a chlazení např. turbínových lopatek nebo jiných materiálů, pro
výpočty pnutí následkem ohřevu kombinovaných součástí z různých ocelí. Porovnané
výsledky s metalografickými a mechanickými testy by měly přispět k celkovému
komplexnímu náhledu na komplikované chování příslušných ocelí při stárnutí.
67
VYZ 0729/2004
7. POSTUPY A METODY HODNOCENÍ VLIVU DEGRADACE
MATERIÁLU NA JEHO ÚNAVOVÉ VLASTNOSTI
Ing. Marek Hejman, Ph.D., Ing. Jiří Jankovec, Ing. Petr Kindelmann, Ing. Michal Smola
7.1 Úvod
Počítačové modelování je dnes důležitou součástí vývoje nových výrobků, rostou možnosti
pro predikce kritických míst konstrukcí a odhady jejich provozní pevnost a únavové
životnosti. Pro praxi je velmi důležitá právě znalost vztahu výsledků výpočtů na jejich
hodnocení z pohledu pevnosti. Hrubý odhad lze dosáhnout za předpokladů využití vlastností
základního materiálu. Seriózní posouzení pevnosti ale musí vycházet ze znalosti principů a
míry změny vlastností materiálů vystaveným konkrétním degradačním procesům. Cílem
tohoto projektu je tedy identifikovat změny vlastností materiálu vystaveného degradačním
procesům a nalézat způsoby interpretace těchto výsledků v návaznosti na výsledky výpočtů
MKP.
Řešení problematiky lze rozdělit do čtyř dílčích úkolů:
- Hodnocení pevnosti a životnosti svařovaných ocelových konstrukcí.
- Teorie vysokocyklové únavy a její aplikace v analýze konečných prvků.
- Výpočty creepu metodou konečných prvků.
- Aplikační možnosti neuronových sítí.
Jednotlivé části jsou v kontextu se zkoumanými oblastmi hodnocení únavy materiálů
vystavených působení degradačních procesů.
68
VYZ 0729/2004
Hodnocení pevnosti a životnosti svařovaných ocelových konstrukcí
Vývoj metod hodnocení únavy svařovaných konstrukcí začínal od jednoduchých
empirických vztahů určených pro inženýrskou praxi až po současné metody hodnocení
víceosé únavy nutné realizovat na počítači. Svařované spoje se potýkají s velkým rozptylem
únavových vlastností způsobených odchylkami ve složení a kvalitě svařovaného materiálu,
odlišnostmi a nastavením svařovacích agregátů, dovednosti jednotlivých svářečů,
povětrnostním podmínkám apod. Dalším důsledkem celého procesu jsou změny struktury a
vlastností materiálu. Zbytková pnutí ve svarovém kovu a v tepelně ovlivněné oblasti, pak mají
velký vliv na výsledné SN křivky konkrétního spoje, ale i na důsledky střední složky napětí.
Obecné metody hodnocení únavové životnosti byly popsány např. v článku [10/7].
Klasické postupy hodnocení jsou založeny na globálních přístupech a vycházejí z
nominálního napětí. Základ numerických postprocesorů hodnocení únavové životnosti
navazujících na výpočty MKP tvoří různé varianty lokálních přístupů. Tyto přístupy lze
rozdělit na:
- přístupy přes tzv. konstrukční napětí a deformace (structural stress and strains),
- přístup přes napětí a deformace v kořeni vrubu (notch stress and strains).
Možné je i posouzení dle norem, např. [11/7]. V případě, kdy daný konstrukční uzel
neodpovídá žádnému klasifikovanému typu spojů uvedených v normě, lze využít tzv. tvarové
napětí, které lze identifikovat např. na základě MKP výpočtů.
Tvarové napětí je maximální hlavní napětí v základním materiálu v blízkosti přechodu
svaru do základního materiálu, které zohledňuje koncentraci napětí v důsledku celkové
geometrie detailu, ale neuvažuje místní účinky koncentrace napětí od geometrie svaru a od
vad ve svaru v základním materiálu. Tvarové napětí je známé jako tzv. „napětí v horkém
bodu“ (hot spot).
[1/7] Hájek, E.: Pružnost a pevnost. Vydavatelství ČVUT, Praha, 1984.
[2/7] Höschl, C.: Únava materiálu při náhodném zatěžování. Cyklus stavba strojů 84, DT
ČSVTS, Praha, 1982.
[3/7] Plánička, F. – Vojtíšek, J.: Životnost strojních částí a konstrukcí namáhaných
proměnlivými kmitavými silami. Ediční středisko ZČU, Plzeň, 1994.
[4/7] Radaj, D.: Design and analysis of fatigue resistant welded structures. Abington
publishing, Cambridge, England, 1990.
[5/7] Růžička, M. – Hanke, M. – Rost, M.: Dynamická pevnost a životnost. České vysoké
učení technické v Praze, 1992.
69
VYZ 0729/2004
[6/7] Růžička, M.: Kritéria a postupy při posuzování únavové pevnosti a životnosti
konstrukcí. http://mechanika.fsid.cvut.cz/studium/literatura/
k-211-html/ruza1/ , Ústav mechaniky FS ČVUT Praha, Praha, 1998.
[7/7] Serensen, S.V. – Kogajev, V.P. – Šnejderovič, R.M.: Únosnost a pevnostní výpočty
strojních součástí. SNTL - nakladatelství technické literatury, Praha, 1967.
[8/7] Polach, P. – Hejman, M. – Kotas, M. – Václavík, J. – Kepka, M.: Identifikace budících
sil ve vypružení autobusu a jejich další využití. Sborník mezinárodní konference
Experimentální analýza napětí 2000, ÚMT FS VUT v Brně, Třešť, 2000.
[9/7] Hejman, M. – Polach, P. – Kotas, M. – Kepka, M.: Metodika rozboru víceosého
namáhání kritického místa nosníku pérování autobusu ŠKODA 21 Ab. Výzkumná
zpráva ŠKODA VÝZKUM s.r.o., VYZ 0397/2000, Plzeň, 2000.
[10/7] Růžička, M. – Papuga, J. – Hejman, M.: Metody pro predikci únavové životnosti
svarových spojů. Sborník konference „Únava a lomová mechanika 2002“, Žinkovy,
2002.
[11/7] ČSN 731401. Český normalizační institut, 2001.
70
VYZ 0729/2004
Teorie vysokocyklové únavy a její aplikace v analýze konečných prvků
Základním nedostatkem většiny výzkumů únavy kovů při vysokocyklovém namáhání je,
že se buď zaměřují na okamžik vzniku makroskopické trhliny výrazného rozměru, anebo na
úplné porušení, přičemž nevěnují přiměřenou pozornost kinetice kumulace únavového
poškození ve stádiu inicializace únavové trhliny. Nedostatečná informace z této oblasti
neumožňuje podrobněji analyzovat procesy, které zapříčiňují vznik únavové trhliny
s uvážením struktury kovů, zatěžovacího režimu, napěťově-deformačního stavu a dalších
faktorů. To dále nedovoluje vytvořit ucelený systém podmínek a faktorů, které by tvořily
součást teorie únavového poškození. Ve většině případů jsou k dispozici jen závislost mezi
napětím a počtem cyklů do lomu. Výjimečně se v některých analýzách získává i doplňková
informace o kinetice kumulace poškození.
Pro posuzování únavy v návaznosti na výsledky výpočtů MKP existuje celá řada
únavových postprocesorů. Jedním z nich je např. program FE-SAFE. Pomocí tohoto
programu lze analyzovat místo iniciace trhliny, pravděpodobnost přežití v různých
životnostech stroje apod. Výsledky jsou prezentovány jako obrázkové kontury únavové
životnosti, součinitelů bezpečnosti napětí a pravděpodobnosti přežití. Mohou být nakresleny
pomocí grafických systémů konečně prvkových analýz nebo pomocí jiného grafického
softwaru.
[12/7] Klesnil, M. a kol.: Cyklická deformácia a únava kovou. Vydavateľstvo SAV,
Bratislava, 1987.
[13/7] Dylag, Z. a kol.: Únava materiálu a její zkoušení. Vydavatelství SNTL, Praha, 1968.
[14/7] Pluhař, J. a kol.: Fyzikální metalurgie a mezní stavy materiálu. Vydavatelství SNTL,
Praha, 1987.
[15/7] FE-SAFE. www.safetechnology.com
71
VYZ 0729/2004
Výpočty creepu metodou konečných prvků
Odezva tělesa na aplikované napětí (tj. elastická a plastická deformace) obecně závisí na
velikosti napětí, teplotě a případně na rychlosti deformace. U namáhaných ocelových součástí
a konstrukcí pracujících za vysokých teplot, např. v chemickém průmyslu, energetice a
v dalších odvětvích pozorujeme soustavné narůstání deformací ve směru namáhání součásti.
Takovou deformaci označujeme termínem creep (česky tečení).
Na počátku 20. století se jako první tečením materiálů vážněji začal zabývat britský fyzik
da Costa Andrade. V průběhu posledních padesáti let bylo vynaloženo velké úsilí na jeho
empirický, fenomenologický a fyzikální popis. Po druhé světové válce se stále častěji objevují
snahy pochopit mechanismy creepu působící v atomových měřítcích. Nicméně předmětem
této práce je popsat fenomén tečení materiálu z hlediska potřeb výpočtů metodami konečných
prvků, tj. z pohledu empirického a fenomenologického.
Creep může nastat u mnoha materiálů používaných v inženýrské praxi – v kovech,
plastech, keramice, betonu atd. Nicméně zákony creepu jsou, až na malé odchylky, podobné
pro všechny tyto materiály. Creep může být vyšetřován v závislosti na čase nebo na teplotě.
Programový soubor COSMOS/M nabízí dva modely creepu. Výpočty creepu mají svoje
odlišnosti postupu výpočtu od klasických úloh lineální a nelineární statiky.
[16/7] Čadek, J.: Creep kovových materiálů. Academia, Praha, 1984.
[17/7] Boyle, J.T. – Spence, J.: Stress Analysis for Creep. Butterworths & Co. Ltd., 1983.
[18/7] Valenta, F.: Pružnost a pevnost III. ČVUT, Praha, 2001.
[19/7] Zámečník, Š.: Pevnostní výpočet kloubového závěsu lopatky plynové turbiny
s uvažováním creepu. Výzkumná zpráva ŠKODA VÝZKUM s.r.o., VYZ 0075/97,
Plzeň, 1997.
[20/7] Vlach, B.: Creep a lom při creepu. Přednáška z předmětu Mezní stavy materiálu.
[21/7] Polák, J.: Cyclic Plasticity and Low Cycle Fatigue Life of Metals. Academia, Praha,
1991.
[22/7] Manuál programu COSMOS/M, verze 2.85.
[23/7] Andrade, E.N. da C.: The viscous flow in metals and allied phenomena. Proc., Royal
Soc., Mathematical Physical and Engineering Sciences, London, 1984, 1-12.
[24/7] Bailey, R.W.: The utilization of creep data in engineering design. Proc., I. Mech. E., J.
of the Institution of Mech Engrs., 131, 131-269.
[25/7] Graham, A. – Walles, K.F.A.: Relationship between long and short time properties of
commercial alloy, J. Iron and Steel Inst., 179, 105-120.
[26/7] McVetty, P.G.: Creep of metals at elevated temperatures – The hyperbolic sine relation
between stress and creep rate. Trans., ASME, New York, 65, 761-767.
[27/7] Poh, K.W.: General Creep-Time Equation. Journal of Materials in Civil Engineering,
Vol. 10, No. 2, 1998, pp. 118-120.
72
VYZ 0729/2004
Aplikační možnosti neuronových sítí
Umělé neuronové sítě (ANN-artificial neural networks) jsou významným odvětvím
vědního oboru umělá inteligence (AI-artificial intelligence). Jsou využívány především
k řešení problémů u nichž je obtížné sestavit matematický model a získat řešení v explicitním
tvaru. Umělé neuronové sítě nachází uplatnění v oblastech jakými jsou letectví, automobilový
průmysl, bankovnictví, finanční sektor, vojenství, elektronika, zábavní průmysl, obrábění,
medicína, robotika, telekomunikace, doprava atd.
Relativně mladý vědní obor neuronové sítě má již poměrně bohatou historii. Základy
oboru neuronových sítí položili svou prací Warren McCulloch a Walter Pittse v roce 1943,
kdy vytvořili jednoduchý model neuronu, což je základní buňka nervové soustavy.
Donald Hebb v roce 1949 napsal knihu “The Organization of Behaviour”, v níž navrhl
učící pravidlo pro synapse neuronů (mezineuronové rozhraní). Toto pravidlo bylo inspirováno
myšlenkou, že podmíněné reflexy, které jsou pozorovatelné u všech živočichů, jsou
vlastnostmi jednotlivých neuronů.
Roku 1957 byl vynalezen Frankem Rosenblattem tzv. perceptron, který je zobecněním
McCullochova a Pittsova modelu neuronu pro reálný číselný obor parametrů. Pro tento model
navrhl učící algoritmus, o kterém matematicky dokázal, že pro daná tréninková data nalezne
po konečném počtu kroků odpovídající váhový vektor parametrů (pokud existuje) nezávisle
na jeho počátečním nastavení.
Krátce po objevu perceptronu Bernard Widrow se svými studenty vyvinul další typ
neuronového výpočetního prvku, který nazval „ADALINE“ (ADAptive LInear NEuron).
Tento model byl vybaven novým výkonným učícím pravidlem, které se dodnes nezměnilo.
Na přelomu 50. a 60. let dochází k úspěšnému rozvoji neurovýpočtů v oblasti návrhu nových
modelů neuronových sítí a jejich implementací. Výsledky z uvedeného období jsou shrnuty
v knize Nilse Nilssona “Learning Machines” z roku 1965.
Další pro rozvoj neuronových sítí přinesl v letech 1982 až 1984 významný poznatek John
Hopfield, který ukázal souvislost některých modelů neuronových sítí s fyzikálními modely
magnetických materiálů.
V roce 1987 byla založena mezinárodní společnost pro výzkum neuronových sítí INNS
(International Neural Network Society). V následujících letech začaly vznikat odborné
časopisy, např. “Neural Networks” v roce 1988, “Neural Computing” v roce 1989, “IEEE
Transactions on Neural Networks” v roce 1990. Trend rozvoje neuronových sítí doprovázený
vznikem nových výzkumných ústavů pokračuje až do dnešní doby.
Rozvoj metody neuronových sítí se projevuje v řadě článků a příspěvků. Cílem autorů je
zajistit popis konkrétního fyzikálního jevu pomocí vhodně sestavené neuronové sítě.
Praktické využití správně vytvořené a „natrénované“ sítě může být právě v souvislosti
s popisem různých degradačních účinků na únavové vlastnosti materiálu nebo s predikcí
únavového poškození konkrétní součásti. Neuronové sítě lze vytvářet s využitím prostředí
programu MATLAB, kde jsou již připravené některé typy neuronových sítí nebo učících
algoritmů.
73
VYZ 0729/2004
[28/7] Manuál Neural Network Toolbox for Use with MATLAB - User’s Guide, Version 4.
[29/7] Tučková, J.: Úvod do teorie a aplikací umělých neuronových sítí. Vydavatelství ČVUT,
Praha, 2003.
[30/7] Krejsa, J.: Simulační modelování technických objektů pomocí neuronových sítí.
disertační práce, Brno, 2000.
[31/7] Volná, E.: Neuronové sítě a genetické algoritmy. Ostravská univerzita v Ostravě,
Ostrava, 1998.
[32/7] Bíla, J.: Umělá inteligence a neuronové sítě v aplikacích. Vydavatelství ČVUT, Praha,
1995.
74
VYZ 0729/2004
7.3 Dílčí úkoly
V rámci dílčích úkolů č. 7.1 až č. 7.4 se v průběhu řešení projektu používá velmi podobná
strategie postupu řešení. Zahrnuje zpravidla tyto postupové kroky:
-
Studium literatury
Výběr vhodného postprocesoru MKP.
Zvládnutí daného programu po praktické stránce – import MKP modelů a výsledků
výpočtů, postup zpracování dat a zobrazení výsledků.
Osvojení teorie využité v daném postprocesoru MKP.
Praktické použití poznatků na konkrétních jednoduchých příkladech.
Aplikace všech poznatků na konkrétní úloze z technické praxe.
Stanovení potřebných vstupů pro navržené praktické využití postprocesoru MKP a
jejich literární rešerše.
Studium tvorby neuronových sítí.
Tvorba vlastního modelu neuronové sítě pro konkrétní teorie hodnocení únavy
(creepu) na základě výsledků výpočtů MKP.
Aplikace pro posouzení příkladu z praxe nebo konkrétní součásti.
Zpracování závěrů a metodik.
75
VYZ 0729/2004
Hodnocení pevnosti a životnosti svařovaných ocelových konstrukcí
Zodpovědný řešitel dílčího úkolu: Ing. Marek Hejman, Ph.D.
Studijní etapa – shrnutí současného stavu, trendy vývoje.
Výběr vhodného únavového postprocesoru MKP.
Osvojení teorie využité v daném únavovém postprocesoru.
Stanovení potřebných vstupů pro navržené praktické využití únavového postprocesoru a
76
VYZ 0729/2004
Teorie vysokocyklové únavy a její aplikace v analýze konečných prvků
Zodpovědný řešitel dílčího úkolu: Ing. Petr Kindelmann
Výběr vhodného únavového postprocesoru MKP.
Osvojení teorie využité v daném únavovém postprocesoru.
Stanovení potřebných vstupů pro navržené praktické využití únavového postprocesoru a
77
VYZ 0729/2004
Výpočty creepu metodou konečných prvků
Zodpovědný řešitel dílčího úkolu: Ing. Michal Smola
Studium creepu v kombinaci s cyklickým zatěžováním.
Studium creepu v anizotropních materiálech.
Tvorba vlastního Ad hoc software pro stanovení materiálových parametrů z provedených
zkoušek pro potřeby MKP výpočtů.
Aplikace na příkladu z technické praxe nebo na konkrétní součásti.
78
VYZ 0729/2004
Zodpovědný řešitel dílčího úkolu: Ing. Jiří Jankovec
Studium tvorby neuronových sítí.
Tvorba vlastního modelu neuronové sítě pro konkrétní teorie hodnocení únavy na základě
výsledků výpočtů MKP.
Aplikace na příkladu z praxe nebo na konkrétní součásti.
79
VYZ 0729/2004
Osvojování nejmodernějších teorií a výpočtů vybraných módů degradace materiálu,
studium vlivu degradace na vlastnosti materiálů a konstrukcí, prohlubování znalostí při
odhadu únavového poškození a rozvoj metod hodnocení únavového poškození na základě
výsledků MKP výpočtů lze aplikovat při konstrukčních návrzích většiny průmyslových
výrobků.
80
VYZ 0729/2004
8. VYUŽITÍ MULTIBODY SIMULACÍ V OBLASTI
DOPRAVNÍHO A ENERGETICKÉHO STROJÍRENSTVÍ
Dr. Ing. Pavel Polach, Ing. Michal Hajžman
8.1 Úvod
Dynamika multibody systémů (vázaných mechanických soustav, MBS) je relativně
mladým oborem, který se začal rozvíjet v osmdesátých letech minulého století ve spojení
s vývojem výpočetní techniky a programového vybavení [1/8]. MBS přístupy slouží pro
vyšetřování kinematických veličin a dynamického chování prostorových vázaných
mechanických systémů tvořených soustavou těles.
Oblast multibody simulací samozřejmě není nosným tématem výzkumného záměru, ale
v rámci komplexního přístupu k řešení problematiky degradace materiálů jsou jejich výsledky
jediným možným zdrojem vstupních dat při virtuálním vyšetřování degradace vlivem
působení dynamického zatěžování. V oblasti multibody simulací bude zaměřena pozornost na
rozvoj stávajících přístupů k modelování a na hledání nových možností uplatnění výsledků při
hodnocení spolehlivosti, bezpečnosti a životnosti konstrukcí a jejich částí.
Multibody modely jsou dány konečným počtem těles navzájem spojených kinematickými
vazbami a pružně tlumicími členy. Tato tělesa se v rámci kinematických vazeb, pružně
tlumicích členů, způsobu připojení k rámu (zemi) a dalších okrajových podmínek mohou
pohybovat v prostoru. Každé těleso je definováno setrvačnostními vlastnostmi (hmotností,
souřadnicemi těžiště a hmotovými momenty setrvačnosti). Na tělesech se zadávají body, v
nichž lze tělesa spojovat kinematickými vazbami (např. volnou, sférickou, atd.) a pružně
tlumicími členy. Dále lze v bodech působit na tělesa vnějšími silami a momenty. Po sestavení
multibody modelu je možné simulovat jeho pohyb. Pro simulaci pohybu multibody modelu je
nutné sestavit (MBS programy je generují na základě různých multibody formalizmů)
nelineární pohybové rovnice, a ty řešit přímou numerickou integrací. Sledovanými veličinami
jsou výchylky, rychlosti a zrychlení jednotlivých těles, síly a momenty působící v
kinematických vazbách a v pružně tlumicích členech [2/8].
81
VYZ 0729/2004
MBS modelování se uplatňuje v mnoha oborech, články a příspěvky lze najít ve velkém
množství odborných vědeckých časopisů a sborníků vědeckých konferencí. Ze zavedených
časopisů je nutné zmínit alespoň nejdůležitější: Multibody System Dynamics [32/8], Vehicle
System Dynamics [4/8], Journal of Sound and Vibration [5/8] a Mechanism and Machine
Theory [6/8]. Nejkomplexnější informace o vědeckých aktivitách, osobnostech, organizacích,
komerčním software a konferencích z oblasti multibody dynamiky lze nalézt na wwwstránkách [7/8]. Ve ŠKODA VÝZKUM s.r.o. je pro tvorbu multibody modelů a simulace
užíván mechatronický software alaska, vyvíjený v Institutu für Mechatronik v Chemnitzu,
SRN [8/8]. Světově nejpoužívanějším komerčním softwarem v oblasti multibody simulací je
MSC.ADAMS [9/8], v Evropě je velmi rozšířen též software SIMPACK [10/8]. Odkazy na
další MBS programy lze nalézt na www-stránkách [7/8].
V oblasti problematiky silničních (velice kvalitně shrnuto v [11/8]) a kolejových (např.
[12/8]) vozidel lze výsledky MBS simulací využít zejména pro hodnocení jízdních a
stabilitních vlastností vozidel, pro posouzení vhodnosti použitých prvků vypružení náprav
(tzn. pružin a tlumičů), jako vstupní data pro výpočet namáhání podvozku a karoserie MKP
programy, v oblasti hodnocení únavové životnosti vozidel a pro zvýšení jízdního pohodlí a
pasivní bezpečnosti řidiče a cestujících. V oblasti energetického strojírenství lze s využitím
multibody přístupu simulovat zejména extrémní stavy provozu zařízení (např. ulomení oběžné
lopatky rotoru, pád havarijní tyče jaderného reaktoru [13/8] apod.).
Dále je MBS přístup uplatňován nejvíce v oblasti robotiky, kde se zpravidla vyšetřování
kinematických a dynamických vlastností konstrukcí robotů a manipulátorů kombinuje
s komplexním vyšetřováním mechatronických vlastností, tzn. se zahrnutím modelů
kontrolních a řídících prvků (např. [14/8], [15/8] a značné množství dalších). Mezi světově
uznávané odborníky v této oblasti bezesporu patří i prof. Michael Valášek z Ústavu
mechaniky ČVUT v Praze [16/8].
Při tvorbě multibody modelů, stejně jako při tvorbě jakýchkoliv virtuálních počítačových
modelů, je snahou aby výsledky simulací s modely co nejvěrněji vystihovaly chování
reálného díla. Ve ŠKODA VÝZKUM s.r.o. jsou největší zkušenosti v oblasti multibody
simulací silničních vozidel. Možnosti zpřesňování multibody modelů vozidel jsou zejména:
- v určení setrvačnostních vlastností tuhých těles odpovídajících jednotlivým
konstrukčním částím vozidla,
- v zavedení poddajných těles (např. podvozek, karoserie, nápravy),
- v detailnějším kinematickém modelu vozidla (např. přesný kinematický model
zavěšení náprav),
- v použití experimentálně zjištěných charakteristik prvků vypružení náprav a
silentbloků použitých v konstrukci vozidla,
- ve volbě vhodného modelu kontaktu pneumatika – vozovka,
- v použití skutečných silových působení pohonů,
- ve verifikaci výsledků simulací s vyhodnocením experimentálních měření.
82
VYZ 0729/2004
Setrvačnostní vlastnosti tuhých těles odpovídajících jednotlivým konstrukčním částím
vozidla lze většinou získat od výrobce (CAD konstrukční výkresy nebo přímo číselné údaje)
nebo je lze určit z MKP modelů příslušných konstrukčních částí. Hmotnost tuhých těles lze
určit poměrně přesně. Souřadnice těžišť a hmotové momenty setrvačnosti tvarově složitých
konstrukčních částí nebo částí vyrobených z různých materiálů lze zpravidla stanovit pouze
přibližně, např. na základě jejich výpočtu s využitím náhradního tělesa zjednodušeného
geometrického tvaru. Při uvažování naloženého vozidla (vozidla s cestujícími) nelze přesně
určit souřadnice těžišť a hmotové momenty setrvačnosti těles modelujících podvozek, protože
skutečné rozmístění nákladu (cestujících) ve vozidle lze pouze odhadnout. Přibližný odhad
souřadnic těžišť a hmotových momentů setrvačnosti tuhých těles odpovídajících méně
hmotným konstrukčním částím má však na celkové dynamické chování vozidla zanedbatelný
vliv (např. [17/8]).
Kvalitní MBS programy umožňují kromě tuhých těles definovat v MBS modelech i
poddajná tělesa. Z MKP programů lze do MBS modelu převzít matice hmotnosti, tlumení a
tuhosti konstrukční části vozidla, jejíž elastické vlastnosti mají být uvažovány i v MBS
modelu. Problémem je zpravidla „komunikace“ mezi MKP a MBS programy: určitý MBS
program může převzít údaje pouze z určitých MKP programů a některé MBS programy
neumožňují zohlednit mimodiagonální prvky matic hmotnosti. Dalším z typů poddajného
tělesa, používaným v MBS programech, je tzv. superelement, který aproximuje dynamické
chování pružného nosníku. Použití poddajných těles v multibody modelech však výrazně
zvyšuje počet řešených nelineárních rovnic a tím výrazně prodlužuje čas výpočtu. Před
zavedením poddajných těles do multibody modelu je nezbytné předem uvážit míru vlivu
„poddajnosti“ příslušné konstrukční části na dynamické chování vozidla při řešení dané
úlohy. V MBS modelech vozidel je vhodné uvažovat elastické vlastnosti podvozku a
karoserie v případě řešení úloh z oblasti vertikální dynamiky [18/8] (tzn. simulací jízd přes
výraznou nerovnost vozovky a jízd po nerovném povrchu vozovky) a při simulaci (pomalých)
čelních nárazů [19/8]. Při vyšetřování jízdních vlastností (tzn. rozjezd, brždění, jízdní
manévry apod.) je postačující modelovat podvozek a karoserii jako tuhá tělesa (např. [20/8]).
Každý virtuální počítačový model je pouze matematickým popisem reálné konstrukce.
Model je vždy i zjednodušením skutečného díla, protože při jeho tvorbě je nutné zanedbat
některé konstrukční detaily. Navíc používaný software nemusí tvorbu modelu určitých
konstrukčních prvků umožnit nebo jejich přesný model ani vytvořit nelze (např. spojení
nýtem apod.). Při vyšetřování dynamických vlastností vozidel (jako celku) nemá na výsledky
simulací žádný vliv např. neuvažování kinematiky mechanizmu zavírání dveří nebo montáže
sedadel. Při vyšetřování vlastností vypružení náprav při simulacích jízd přes výraznou
nerovnost vozovky a jízd po nerovném povrchu vozovky lze podstatně zjednodušit i
kinematický model vodících tyčí náprav [21/8]. Přesný kinematický model vodících tyčí je
naopak nezbytný při vyšetřování jízdních vlastností vozidel [22/8]. Značným problémem je
ovšem znalost skutečných tuhostí a tlumicích vlastností pryžových silentbloků v okách
vodících tyčí (např. [23/8]).
83
VYZ 0729/2004
Výrazný vliv na výsledky simulací s multibody modely vozidel mají (zejména při řešení
úloh z oblasti vertikální dynamiky) použité charakteristiky prvků vypružení náprav, tj. pružin
(závislost síly na deformaci) a tlumičů (závislost síly na rychlosti). Údaje z běžné technické
dokumentace dodávané výrobci nejsou pro tvorbu multibody modelů dostačující, nelineární
charakteristiky prvků vypružení náprav je nutné stanovit experimentálně [24/8]. Podle
některých autorů lze navíc zpřesnit výsledky simulací použitím charakteristik tlumičů
definovaných jako závislost síly na zrychlení [25/8] (místo závislost síly na rychlosti).
Problematika dynamických vlastností pneumatik je v oblasti silničních vozidel relativně
samostatným vědním oborem. Prostřednictvím pneumatiky dochází k přenosu silových
účinků od vozovky na podvozkové části, což má zásadní vliv na dynamické chování
silničního vozidla. Reálný kontakt pneumatika – vozovka se nahrazuje ve virtuálních
modelech vozidel dynamickými modely různé složitosti. Nejznámějším modelem k popisu
směrových vlastností pneumatik při vyšetřování horizontální dynamiky vozidel je Pacejkova
podobnostní aproximační metoda [26/8]. U tohoto modelu je ovšem problematické určení
vstupních dat pro konkrétní typ pneumatiky, která lze získat pouze při použití speciálního
experimentálního zařízení. Při řešení úloh z vertikální dynamiky je často používán
jednoduchý hrotový model pneumatiky, který nahrazuje pneumatiku pružinou, jejíž tuhost
odpovídá radiální tuhosti pneumatiky. Tlumicí vlastnosti pneumatiky se v tomto modelu
nejčastěji zanedbávají, je vhodné uvažovat možnost odskoku pneumatiky od povrchu
vozovky [27/8]. Složitějším vertikálním modelem pneumatiky je např. Apetaurův model. S
výhodou lze využít výsledky výpočtů s MKP modely pneumatik, které umožňují simulovat i
kontakt pneumatika – poddajná podložka [28/8]. Velmi kvalitním je komplexní model
pneumatiky prof. J. Bartoše, který je součástí modulu DRIVE/Tire software MSA [29/8].
Tento model zohledňuje vertikální i směrové vlastnosti pneumatiky, relativně dostupná jsou i
vstupní data pro konkrétní typ pneumatiky. U kolejových vozidel je obdobný problém při
stanovení správného matematického modelu kolo – kolejnice (zpravidla se využívají
Kalkerovy vztahy, dalšími jsou např. Johnsonovy-Vermeulenovy vztahy) (např. [30/8],
[31/8]).
Charakteristiky motorů (hnací moment v závislosti na rychlosti vozidla) poskytované
výrobci nejsou při vyšetřování jízdních vlastností vozidel zcela dostačující. Jako doplňující
informaci o silových působení pohonu na hnací nápravu je nutné zjistit časovou prodlevu
hnacího momentu motoru (tzn. dobu bez působení hnacího momentu) při řazení rychlostních
stupňů a dynamické vlastnosti spojky a převodovky. Některé MBS programy mohou využívat
speciální modul, který podporuje simulace skutečného silového působení pohonů na hnací
nápravy (např. [29/8]).
Pro ověření správnosti výsledků počítačových simulací s virtuálním modelem je důležitá
verifikace s vyhodnocením experimentálních měření na reálné konstrukci. Oba přístupy se
vzájemně podporují a doplňují. Výsledky experimentálních měření lze využít ke zpřesnění
virtuálního modelu. Naopak výsledky počítačových simulací upozorní na další kritická místa
konstrukce, jimž by při experimentálních měření bylo vhodné věnovat pozornost. Toto
vzájemné zdokonalování experimentálních a výpočetních přístupů vede ke kvalitnějšímu
poznání vlastností konstrukce a tím i k možnosti kvalifikovanějšího posouzení případných
konstrukčních úprav [32/8].
84
VYZ 0729/2004
[1/8] Schiehlen, W.: Multibody System Dynamics: Roots and Perspectives. Multibody
System Dynamics 1 (2), Kluwer, pp. 149-188, 1997.
[2/8] Polach, P. – Pelikán, V.: Investigation of Responses of the Nonlinear Mechanical
System with Two Degrees of Freedom to the Kinematic Excitation by Means of
Computer Simulations. Mezinárodní konference Inženýrská mechanika 2000, sv. II, s.
39-44, Svratka, 2000.
[3/8] Multibody System Dynamics. Kluwer,
http://www.kluweronline.com/issn/1384-5640
[4/8] Vehicle System Dynamics. Taylor & Francis Group,
http://www.tandf.co.uk/journals/titles/00423114.asp
[5/8] Journal of Sound and Vibration. Elsevier,
http://www.elsevier.com/wps/find/
journaldescription.cws_home/622899/description#description
[6/8] Mechanism and Machine Theory. Elsevier,
http://www.elsevier.com/wps/find/
journaldescription.cws_home/303/description#description
[7/8] Multibody System Dynamics: Research Activities.
http://real.uwaterloo.ca/~mbody/
[8/8] http://www.tu-chemnitz.de/ifm/
[9/8] http://www.mscsoftware.com/products/
products_detail.cfm?PI=413
[10/8] http://www.simpack.de/websitep.html
[11/8] Blundell, M. – Harty, D.: The Multibody Systems Approach to Vehicle Dynamics.
Elsevier, 2004.
[12/8] Kraus, V. – Ranš, M.: Výpočet dynamického chování pětičlánkové tramvaje ŠKODA
VEKTRA s aktivním natáčením. Sborník konference s mezinárodní účastí Výpočtová
mechanika 2003, str. 203-210, Nečtiny, 2003.
[13/8] Polach, P. – Hajžman, M.: Multibody model pohonu HRK jaderného reaktoru VVER
440/V213 JE Paks a výpočet doby pádu kazety HRK při seizmické události. Výzkumná
zpráva ŠKODA VÝZKUM s.r.o., VYZ 0715/2004, Plzeň, 2004.
[14/8] Martins, J.M. – Botto, M.A. – Costa, J.S.: Modelling of Control of Flexible Robot
Manipulators. CD-ROM Proceedings of ECCOMAS Thematic Conference on
Advances in Computational Multibody Dynamics 2003, Book of Abstracts not paged,
Lisbon, 2003.
[15/8] Stejskal, V. – Valášek, M.: Kinematics and Dynamics of Machinery. Marcel Dekker,
New York, 1996.
[16/8] http://mech.fsik.cvut.cz/staff/michael/WWW/welcome.html
[17/8] Polach, P.: Vyšetřování vlivu hmoty přidané na střechu zadního vozu konstrukčního
návrhu kloubového autobusu ŠKODA 22 Ab na jízdní stabilitu. Výzkumná zpráva
[18/8] Polach, P.: Vliv uvažování elastické karoserie na výsledky při simulacích s MBS
modelem autobusu ŠKODA 21Ab. Výzkumná zpráva ŠKODA VÝZKUM s.r.o., VYZ
0210/98, 1998.
85
VYZ 0729/2004
[19/8] Polach, P.: Simulace pomalého čelního nárazu s MBS modely autobusů ŠKODA.
[20/8] Polach, P. – Hejman, M. – Jankovec, J.: Simulace vybraných provozních situací s
multibody modelem naloženého trolejbusu ŠKODA 21 Tr s nápravami RÁBA a
kompozitovou přední stěnou. Výzkumná zpráva ŠKODA VÝZKUM s.r.o., VYZ
0599/2002, Plzeň, 2002.
[21/8] Polach, P.: Vyšetřování dynamických vlastností vypružení trolejbusu ŠKODA 21 Tr s
nápravami RÁBA a kompozitovou přední stěnou při simulacích přejezdů překážky.
[22/8] Polach, P.: Vyšetřování vlivu stabilizátoru zadního vozu na jízdní stabilitu kloubového
trolejbusu ŠKODA 22 Tr s kloubem HÜBNER a hnacími nápravami RÁBA.
[23/8] Polach, P.: Stanovení sil působících ve vodících tyčích náprav RÁBA trolejbusu
ŠKODA 21 Tr s kompozitovou přední stěnou při simulacích přejezdů překážky II - vliv
uvažování tlumících vlastností silentbloků v okách vodících tyčí. Výzkumná zpráva
[24/8] Polach, P.: Vliv zpřesnění charakteristik tlumičů na výsledky simulací přejezdů
překážky s multibody modely trolejbusů ŠKODA 14 Tr M a ŠKODA 14 Tr E.
[25/8] Weigel, M. – Mack, W. – Riepl, A.: Nonparametric Shock Absorber Modelling Based
on Standard Test Data. Vehicle System Dynamics, Vol. 38, No. 6, pp. 415-432, 2002.
[26/8] Socha, J.: The Modelling and Simulations in the Field of Vehicle Mechanics.
Mezinárodní konference Inženýrská mechanika 2000, sv. II, s. 105-108, Svratka, 2000.
[27/8] Polach, P.: Vliv uvažování odskoku pneumatik na výsledky simulací přejezdů překážky
s multibody modely trolejbusů ŠKODA 14 Tr M a ŠKODA 14 Tr E. Výzkumná zpráva
[28/8] Kovanda, J. – Resl, I. – Socha, J.: Konstrukce automobilů – pérování vozidel.
Vydavatelství ČVUT, Praha, 1997.
[29/8] Bartoš, J. – Kopenec, J.: User-Written Software for ADAMS DRIVE. Matematický
model pohonu a pneumatiky. Verze 4.0. Multibody System Analysis, Kopřivnice, 2003
[30/8] Belforte, P. – Cheli, F. – Corradi, R. – Facchinetti, A.: Software for the Numerical
Simulation of Tramcar Vehicle Dynamics. Heavy Vehicle Systems, A Special Issue of
the International Journal of Vehicle Design, Vol. 10, No. 1/2, Inderscience, pp. 48-67,
2003.
[31/8] Tanabe, M. et al.: Computational Model of a Shinkansen Train Running on the Railway
Structure and the Industrial Applications. Journal of Materials Processing Technology
140 (2003), Elsevier, pp. 705-710, 2003.
[32/8] Polach, P. – Hejman, M. – Kepka, M.: Uplatnění experimentálních a simulačních
přístupů při vyšetřování dynamických vlastností vypružení autobusu ŠKODA 21 Ab.
39. mezinárodní konference Experimentální analýza napětí 2001, Tábor, s. 263-270,
2001.
86
VYZ 0729/2004
8.3 Dílčí úkoly
Využití multibody simulací v oblasti dopravního a energetického
strojírenství
Zodpovědný řešitel dílčího úkolu: Dr. Ing. Pavel Polach
Anotace
Pozornost bude zaměřena na rozvoj stávajících přístupů k modelování a na hledání nových
možností uplatnění výsledků při hodnocení spolehlivosti, bezpečnosti a životnosti konstrukcí
a jejich částí. Výsledky simulací budou, pokud to bude možné, verifikovány
s vyhodnocenými záznamy pořízenými při provozních měřeních na reálných konstrukcích.
Plánované období řešení dílčího úkolu: 2004-2008
Studijní etapa: shrnutí současného stavu, trendy vývoje.
Simulace s multibody modely silničních dopravních prostředků, případně i s řidičem a
cestujícími.
Simulace s multibody modely silničních dopravních prostředků, případně i s řidičem a
cestujícími. Simulace vybraného extremního stavu provozu s multibody modelem
vybraného energetického zařízení.
Osvojení vyšší verze software alaska (zatím používána verze 2.3; v roce 2004 je vyvinuta
již verze 4.1), event. dalších softwarových prostředků pro multibody simulace. Simulace se
zpřesňovanými multibody modely vybraných strojírenských zařízení.
Studium mechatroniky, aplikace na studijním příkladu.
Simulace se zpřesňovanými multibody modely vybraných strojírenských zařízení.
Aplikace mechatroniky do multibody modelů vybraných strojírenských zařízení (např. do
modelu trakčního motoru, sběračů, aktivní řízení, zpětné vazby). Zhodnocení dosažených
výsledků.
87
VYZ 0729/2004
Hlubší poznání kinematických a dynamických vlastností výrobků ve stádiu jejich
projektování a vývoje.
Rozvoj metod predikce časových průběhů provozního namáhání konstrukčních dílů
dopravních prostředků a zařízení pro energetiku ve stádiu jejich virtuálního prototypu.
VYZ 0729/2004
88
9. SEZNAM DÍLČÍCH ÚKOLŮ
V tabulce 1 je uveden seznam dílčích úkolů výzkumného záměru MSM 4771868401
„Výzkum provozní degradace perspektivních konstrukčních materiálů“, plánovaná doba jejich
řešení a jejich zodpovědní řešitelé.
Dílčí úkol
Číslo
Název
Plánované Zodpovědný Strana
období
řešitel
řešení
1.1
Databáze povrchových vad
zjišťovaných endoskopem
2004 – 2008
Jaroslav Koc
12
1.2
Studium degradace materiálů
elektrochemickými metodami
2004 – 2008
Josef Strejcius
13
1.3
Vývoj mikrostruktury svarových spojů 2004 – 2008 Dagmar Jandová
progresivních ocelí při creepovém
zatěžování
1.4
Etalonová stupnice pro hodnocení
degradace mikrostruktury materiálů
2.1
2.2
2004 – 2008
15
Josef Kasl
16
Rozvoj metodik měření mechanických 2004 – 2008
vlastností kovových materiálů pomocí
klasických a miniaturních zkušebních
těles
Václav Mentl
25
Hodnocení degradace konstrukčních
materiálů a zbytkové životnosti
vybraných degradovaných komponent
2004 – 2008
Václav Mentl
27
3.1
Predikce provozní spolehlivosti
cyklicky namáhaných strojních částí
pro dopravní strojírenství a energetiku
2005 – 2008
Jan Chvojan
36
3.2
Vývoj a ověření mobilního měřicího
systému
2004 – 2008
Milan Kotas
38
3.3
Vývoj procedur pro vytvoření a
naplnění databáze a vyhodnocování
únavových zkoušek
2004 – 2008
Jan Chvojan
40
3.4
Predikce únavového poškozování na
principu magnetostrikce
2005 – 2008
Jaroslav
Václavík
42
4.1
Zkušební pracoviště pro únavové
zkoušky lopatek rotačních strojů
2004 – 2006
Miroslav
Chmelíček
47
VYZ 0729/2004
89
Dílčí úkol
Číslo
Název
Plánované Zodpovědný Strana
období
řešitel
řešení
4.2
Zkoušení oběžných lopatek rotačních 2006 – 2008
strojů a stanovení degradace materiálu
Miroslav
Chmelíček
48
4.3
Stanovení vlivu vysokých frekvencí
na porušování spojů částí konstrukce
2004 – 2006
Jan Hyrát
49
5.1
Vývoj a inovace metodik hodnocení
vlastností povlaků odolných proti
opotřebení
2004 – 2008
Radek Enžl
56
5.2
Studium vysokoteplotního chování
žárových nástřiků
2004 – 2008
Radek Enžl
57
5.3
Vliv nástřiku pod úhlem na depoziční
účinnost a vlastnosti povlaku tvarově
složitých součástí
2004 – 2008
Radek Enžl
58
6.1
Studium stárnutí materiálu pomocí
metody dilatometrie
2004 – 2006
Petr Franče
65
7.1
Hodnocení pevnosti a životnosti
svařovaných ocelových konstrukcí
2004 – 2008
Marek Hejman
75
7.2
Teorie vysokocyklové únavy a její
aplikace v analýze konečných prvků
2004 – 2008
Petr
Kindelmann
76
7.3
Výpočty creepu metodou konečných
prvků
2004 – 2008
Michal Smola
77
7.4
2004 – 2008
Jiří Jankovec
78
8.1
Využití multibody simulací v oblasti
dopravního a energetického
strojírenství
2004 – 2008
Pavel Polach
86
Tab. 1 Seznam dílčích úkolů

Výzkumný záměr - Výzkumný a zkušební ústav Plzeň s.r.o.

Transkript

Podobné dokumenty

Nabídka studijních předmětů

diagnostika a řízení kvality odlitků - FMMI

matematika a řešení úloh

šlechta a kardinálové

Neuronové sítě jako modely analogových výpočtů

zde - Západočeská univerzita

Vědecká rada - 10.6. 2008_různé

Scotchcal™ 5525 - 300

Školní knihovna

Zpráva o činnosti za rok 2008

Otěruvzdorné povrchové úpravy prohlédnout PDF

Základy práva pro studenty neprávnických fakult - EnviMod

M A L O R Á Ž O V É Z B R A N Ě

surovin - Inovace bakalářských a magisterských studijních oborů na

Zobrazit článek ve formátu PDF

Rafinace a odlévání oceli - FMMI

European Master in Automotive Engineering Program of the first

RVP 23-41-M/01 Strojírenství Strojírenství Střední odborná škola

prášková metalurgie - FMMI

Tu stiahnuť - Štátna vedecká knižnica v Banskej Bystrici

Tepelné zpracování a slinování

číslo 2 - Strojírenská technologie