MASTEROPPGAVER KNYTTET TIL SIMLab VÅREN 2011

Transkript

1 MASTEROPPGAVER KNYTTET TIL SIMLab VÅREN 2011 Simulering av duktilt brudd og sprekkvekst med elementmetoden I bilindustrien er det de senere år vist en økende interesse for simulering av oppsprekking og brudd i forbindelse med design av energiabsorberende systemer. I simuleringer av bilkollisjoner som involverer modeller av hele biler må det av praktiske årsaker være en viss størrelse på elementene og skallelementer må benyttes i stedet for volumelementer. I tillegg stilles det krav om at materialmodellene er robuste og enkle å kalibrere. På oppdrag fra Audi har SIMLab nå et prosjekt som går ut på å utvikle materialmodeller som kan beskrive bruddinitiering og bruddpropagering best mulig med relativt store skallelementer ( 5mm). Disse modellene skal valideres mot eksperimenter og sammenlignes med større simuleringer med volumelementer og mer avanserte materialmodeller. Denne masteroppgaven vil inngå som en del av dette prosjektet. Det skal utføres eksperimentelle forsøk (material og komponent) med avanserte målemetoder (DIC, induksjonsmålinger) og ikke-lineære analyser med LS-DYNA og evt. Abaqus. Målsettingen er å vurdere nøyaktigheten av ulike bruddmodeller og foreslå en praksis for modellering av brudd i industriell sammenheng. Type oppgave: Laboratorietester, ikke-lineære elementanalyser. Samarbeidsprosjekt med Audi. Antall studenter: 1 2 Kontaktpersoner: G Gruben, OG Lademo, OS Hopperstad Simulering av brudd og sprekkvekst med X-FEM En av hovedutfordringene i elementanalyse av metalliske komponenter og konstruksjoner er simulering av bruddpropagering. En propagerende sprekk introduserer en sterk diskontinuitet i elementløsningen som typisk blir sterkt nettavhengig. Det er foreslått en rekke metoder i litteraturen for å løse problemer med sprekkvekst. Elementerosjon, kohesive elementer og splitting av noder er metoder som er mye brukt. X-FEM, eller den utvidete elementmetoden, er en relativt ny metode for simulering av sprekkvekst. I denne metoden berikes forskyvningsfeltet slik at sprekkvekst kan beskrives uten endring av nettet i området rundt sprekkspissen. Oppgaven går ut på å evaluere X-FEM i Abaqus og sammenligne metoden med forsøksdata og andre aktuelle løsningsmetoder. Type oppgave: Numeriske beregninger, litteraturstudium og evt. laboratorietester. Antall studenter: 1 2 Kontaktpersoner: G Gruben, OS Hopperstad, T Børvik

2 Definer typisk respons til krasjboksprofil Dagens biler har ofte en krasjboks plassert på hver side bak støtfangeren. Funksjonen til disse er å ta opp mest mulig energi i en kollisjon samtidig som de skal sikre at kraftnivået ikke blir for høyt. I denne oppgaven tas det utgangspunkt i en enkel test som måler kraftnivået når to-kammer aluminiumprofilen foldes sammen. Det er viktig at variasjonen i veggtykkelse og flytespenning ikke er større enn at kraftnivået holdes innenfor toleransene. I tillegg må materialet ha tilstrekkelig duktilitet til å kunne deformeres slik uten å sprekke. Oppgaven kan gjerne deles mellom flere studenter som fokuserer på hver sin deloppgave: (A) Planlegge, utføre og analysere målinger som gir representative data for variasjonen i kraftnivå, veggtykkelser, flytespenning og fastning. De tre siste er verdier som gis inn ved numeriske beregninger. (B) De numeriske resultatene skal sammelignes med kraft-målingene for å finne hvordan variasjonen kan tas hensyn til ved design av slike komponenter. (C) Aluminium er egnet for resirkulering siden dette krever omtrent 5 % av den energien som behøvs for å produsere nytt metall. I tillegg er det ønskelig at toleransene til legeringselementene, jern osv kan økes noe slik at gjenvinningskostnadene ikke blir for store. Dette kan redusere duktiliteten til materialet. I denne delen av oppgaven skal numeriske analyser brukes for å underske hvilke mekanismer som er styrende for om det blir brudd eller ikke. (D) En interessant mulighet kan være fastningen til materialet som funksjon av legeringssammensetning og termisk behandling. En model under utvikling skal prediktere fastningen som funksjon av kjemisk sammensetning og termisk histore. Type oppgave: Testing, modellering og analyse. Oppgaven gjennomføres i samarbeid med Benteler Aluminium Systems og Hydro Aluminium. Antall studenter: 1-4 Kontaktpersoner: T Tryland, O R Myhr, M Langseth

3 Effekt av rekrystallisert sjikt Noen aluminiumlegeringer gir ekstruderte profiler med et rekrystallisert sjikt som kan redusere duktiliteten ved forming? Dette er undersøkt eksperimentelt ved at hydroforming er brukt til å presse ut en stor bulk i et rør slik at dette omformes til et T- knutepunkt. Variasjonen i materialegenskaper er målt gjennom tykkelsen, og formeprosessen er analysert ved hjelp av skallelementer. I denne oppgaven foreslås en videreføring der røret modelleres med flere volumelementer gjennom tykkelsen slik at enkelte elementer på overflaten gis muligheten til å deformere lokalt uten en absolutt kobling til elementene innenfor. Type oppgave: Numeriske beregninger med LS-DYNA. Oppgaven gjennomføres i samarbeid med Benteler Aluminium Systems. Antall studenter: 1 Kontaktpersoner: T Tryland, OS Hopperstad, O-G Lademo Forming av stålprofil For å ta opp energien ved bilkollisjon brukes blant annet stålprofiler. Profilene blir laget ved at man former plater i en presse. For å kunne lage en god modell av kollisjonsforløpet er det viktig å vite hva som skjer i formeprosessen og ta hensyn til dette. I dette studiet skal man studere innvirkningen av selve formeprosessen. Testing av materialene som blir brukt i pressen vil inngå. Materialdataene skal brukes til å kalibrerere materialmodeller som igjen skal brukes til å simulere formeprosessen. Type oppgave: Eksperimentelle forsøk og numeriske beregninger. Kontaktpersoner: M Langseth, OS Hopperstad

4 Tensile and plane shear tests on Aluminum 99.50% The standard tension/compression test machine is widely used in the research laboratories to characterize materials behavior providing experimental data related to tension, compression and cyclic loads. Sample geometry used in the case of cyclic tests is limited to a cylindrical shape. The plane shear test provides supplementary experimental data allowing the characterization of metal sheet. It enables the application of cyclic loading path on flat specimens. This project aims at establish a set-up for a plane shear test using a shear device inserted into the tensile machine. Tensile and plane shear tests will then be realized at different orientation of the loading axis from the rolling direction in aluminum 99.50% sheet. Type of study: Experimental work Kontaktpersoner: A Saai, OS Hopperstad, M Langseth. Plastisk deformasjon og brudd i polymerer Ved SIMLab har vi de siste par årene jobbet med å utvikle en ny konstitutiv modell for plastmaterialer. Plast er på mange måter mer utfordrende enn andre materialtyper: De kan være meget duktile, viskøse effekter er viktige (følsomhet for temperatur og hastighet), man observerer ulik respons i strekk og trykk osv. I motsetning til i metaller, øker plastmaterialene volum ved plastisk deformasjon. Et viktig skritt i polymerforskningen, og dette er et langsiktig prosjekt med et perspektiv på flere år fram i tid, er derfor å gjøre forsøk hvor vi utsetter materialet for forskjellige spenningstilstander og observere volumendringen. Vi skal starte med å bli kjent med de mekaniske egenskapene til plastmaterialene, så skal vi se på materialmodellen og på fysikken i problemet: Gjøre noen enkle forsøk, og studere hvordan volumendringen påvirkes av belastningsmode. Det er også aktuelt med numeriske simuleringer i LS-DYNA. Type oppgave: Litteratur, forsøk, numeriske beregninger. Kontaktpersoner: AS Ognedal, AH Clausen, OS Hopperstad

5 Mekanisk respons ved på- og avlastning av polymerer Polymermodellen som er utviklet ved SIMLab er primært tiltenkt duktile materialer. Det vil si at de plastiske deformasjonene er et sentralt element i responsen. Så langt har valideringen tatt utgangspunkt i monotone tester, dvs. kontinuerlig pålastning fram mot et evt. brudd. Vi vet lite om hvordan responsen ved avlastning, eller hvis det er syklisk belastning i både strekk og trykk. Disse spørsmålene er også svært relevante for plastmaterialer som har en mer sprø karakter. Da er det mindre viktig å representere store plastiske deformasjoner i en materialmodell. I stedet må man fange opp den såkalte viskoelastiske responsen, som bl.a. innebærer en hastighetsavhengig E-modul. Utvikling av en slik modell er i gang. Nå trenger vi eksperimentelle data for hvordan et plastmateriale oppfører seg ved f.eks på- og avlastning. Masteroppgaven vil også ta for seg validering av en slik viskoelastisk modell. Type oppgave: Litteratur, forsøk, numeriske beregninger. Kontaktpersoner: AH Clausen, OS Hopperstad, M Polanco-Loria (SINTEF) Limte forbindelser Lim har fått en stadig viktigere rolle som forbindelsesmiddel, ikke minst i forbindelser mellom to forskjellige materialer. Da er det som regel ikke mulig å sveise, og kun skruer og nagler gir ikke alltid tilfredsstillende kapasitet. Normalt kombineres lim med et mekanisk forbindelsesmiddel (skruer eller nagler). Denne oppgaven skal se nærmere på oppførselen til slike forbindelser. En viktig delaktivitet er å etablere en database med kvasistatiske forsøk. Numeriske simuleringer er også aktuelt. Fra et materialteknisk synspunkt er lim en herdeplast, og dermed er det av stor interesse å evaluere om polymer-materialmodellen til SIMLab kan gi tilfredsstillende prediksjoner av responsen i testene. Type oppgave: Litteratur, forsøk, numeriske beregninger. Kontaktpersoner: D Morin, AH Clausen, M Langseth

6 Oppførsel av aluminium ved høye hastigheter og temperaturer De fleste materialer får større styrke når tøyningshastigheten øker, mens høyere temperatur har den motsatte effekten. Duktiliteten påvirkes også. Dessuten er koblingen mellom høye temperaturer og tøyningshastigheter relvant for flere formål. Ett eksempel er hurtig belastning, hvor det blir temperaturøkning i materialet på grunn av plastisk arbeid. Et annet eksempel er formeprosesser; ikke minst ekstrudering. SIMLab har nylig anskaffet en induksjonsoppvarmer som kan benyttes til å se på denne koblingen. I tillegg til forsøk er det aktuelt å se på materialmodeller som kan benyttes i numeriske simuleringer med elementmetoden. Type oppgave: Litteratur, forsøk, numeriske beregninger. Kontaktpersoner: AH Clausen, T Børvik, OS Hopperstad Load-carrying capacity assessment of composite (GRP) sandwich pipes Flowtite is one of the world-wide leaders in glass-reinforced polymer (GRP) pipe technology for water supply. The Flowtite pipe uses a sandwich concept where the two external GRP skins are bonded with a compacted sand core acting as the filling material. Assessment of load carrying-capacity for different load conditions is highly important. For this reason an experimental and numerical study is proposed with the following activities: 1. Experimental characterization of the GRP material (outer and inner layer), the compacted sand core and the interface 2. Identification of material models for each constituent 3. Experimental and numerical validation for load carrying capacity assessment Type of study: Testing and modeling. The master work will be done in collaboration with Flowtite, Norway. Number of students: 1-2 Contact persons: OS Hopperstad (NTNU), M Polanco-Loria (SINTEF) and H Jonsson (Flowtite)

7 Metalliske platter utsatt for ikke-proporsjonale tøyningsveier Det er mange ulike komponenter som ble lagget av tynne metalliske platter. Under produksjon utsettes disse for kompliserte belastninger som kan føre til tøyningslokalisering og brudd. Samme gjelder for sikkerhetskomponenter i bilen under kollisjon. I den forbindelse ønskes det i denne oppgaven å undersøke gyldigheten av eksisterende materialmodeller og bruddmodeller som er i bruk i dag for ikke-proporsjonale tøyningsveier. I dette prosjektet vil det gjøres forsøk i en ny testmaskin. Forsøkene kan brukes til å lage formingsdiagrammer (FLD), og resultatene kan sammenliknes med resultater fra elementmetoden. Type oppgave: Numeriske beregninger, laboratorietester, litteraturstudium. Kontaktpersoner: A Reyes,, O-G Lademo, D. Vysochinskiy Kombinert fragment- og eksplosjonslast på stålplater Det vil i løpet av vinteren 2010/11 utføres forsøk med en transient trykklast på stålplater ved University of Liverpool. Både uskadede plater og plater med en pre-definert skade vil testes. Dette gjøres for å simulere effekten av eksplosjonslast og fragmenter på en beskyttelseskonstruksjon under kontrollerte forhold, i dette tilfellet at fragmentene har truffet platen før sjokkbølgen. Oppgaven vil bestå i litteraturstudium, mulighet for forsøk i Liverpool samt å etterregne forsøkene med avanserte numeriske simuleringer i LS- DYNA. Konklusjonene fra disse forsøkene vil videreføres til reelle eksplosjonsforsøk. Type oppgave: Litteratur, mulighet for forsøk, numeriske beregninger. Samarbeid med University Kontaktpersoner: Tore Børvik, Knut Rakvåg

8 Støt på rørkonstruksjoner Etter diskusjon med norsk offshoreindustri så er det et behov for ny kompetanse innen oppførsel, modellering og design av konstruksjoner på havbunnen utsatt for støtlaster fra blant annet trål og fallende gjenstander. Diskusjonen er blitt motivert ut i fra usikkerheter og mangler i det eksiterende regelverket når det gjelder hvordan vannet påvirker oppførselen til selve støtlasten samt responsen til konstruksjonen som blir truffet. Målet med denne oppgaven er gjennom forsøk og numeriske analyser å etablere ny kunnskap om oppførsel til rørkonstruksjoner utsatt for støtlaster. Type oppgave: Testig, modellering og analyse. Oppgaven gjennomføres i samarbeid med StatoilHydro. Kontaktpersoner: M Kristoffersen, T Børvik, OS Hopperstad, M Langseth Fragmentering av metalliske materialer I forbindelse med støtproblemer, vil man i enkelte tilfeller kunne få fragmentering enten i prosjektilet eller i målplaten. Hvis ikke dette fanges opp i forbindelse med design ved hjelp av elementmetoden, kan det få katastrofale følger for den estimerte kapasiteten til en beskyttelseskonstruksjon. Fragmentering kan f eks modelleres ved hjelp av såkalte kohesive soner som innføres mellom elementene for å beskrive energi-dissipasjonen i forbindelse med oppsprekkingen. I denne oppgaven er det tenkt å gjøre støtforsøk i en gass-kanon med ulike prosjektil som vil fragmentere ved treff. Deretter skal forsøkene modelleres og valideres ved bruk av ulike kohesive modeller tilgjengelig i det ikke-lineære elementmetodeprogrammet LS-DYNA. Type oppgave: Litteraturstudium, numeriske beregninger, forsøk. Oppgaven gjennomføres i samarbeid med Forsvarsbygg. Antall studenter: 1 2 Kontaktpersoner: T Børvik, K G Rakvåg, OS Hopperstad

9 Stålpæler med spiss for bæring mot fjell Pæler for fundamentering brukes der grunnen består av tykke lag med løsmasser. Stålrørspæler med spiss bærer aksiallast ved at spissen bankes ned til og inn i fjellgrunnen (senere utstøping med betong). Nedrammingen med lodd medfører dynamisk påkjenning på stålpælen, og for spissen (lokk, spiss og stiverplater) er det gjerne kritisk i det den treffer fjellet. Det har vært tilfeller med pæler som ikke har tålt nedrammingen. Statens Vegvesen har foreslått oppgaven, og er en stor bruker av pæler til f.eks fundamenter i vegbroer. I en tidligere masteroppgave for pæler med standardiserte pælspisser er det gjort fullskalaforsøk og databeregninger, og enkle modellforsøk i laboratoriet. Oppgaven medfører dimensjonering, statiske og dynamiske beregninger (støt), og planlegging og deltakelse i forsøk i laboratoriet. Spesielt skal det sees på modellforsøk for stålspissens inntrenging i fjell. Type oppgave: Modellering, analyse, laboratorieforsøk Antall studenter: 2 Kontaktpersoner: A Aalberg, M Langseth Design og analyse av bæresystemet for tidevanns-turbin Tidevannsturbiner er en lovende form for produksjon av fornybar energi, med potensiale i mange kystområder både i Norge og internasjonalt. NTNU arbeider med å designe en komplett referanseturbin til bruk i forskning, hvor fremtidig kommersialisering er aktuell. Oppgaven består i design av bæresystemet til turbinen, som er viktig både fordi det representerer er en betydelig del av kostnadene i seg selv og fordi det vil påvirke løsninger for resten av turbinen. Overordnet designkriterium for tidevannsturbinen er å minimere energikostnaden sett over konstruksjonens levetid (målt i kr/kwh). Bærekonstruksjonen vil være et sveist stålfagverk, og design og dynamisk analyse er hoveddelen av oppgaven. Viktige parametre er produksjonskostnad, installasjonskostnad og masse. Det vil være naturlig å samarbeide med andre forskere som arbeider med referanse-turbinen på NTNU innen områder som rotor- og generatordesign. Type oppgave: Modellering, analyse. Antall studenter: 2 Kontaktpersoner: A Aalberg, P E Thomassen

10 Kapasitet og stivhet til knutepunkter Bjelke-søyle-knutepunkter, rammehjørner og søylefotforbindelser i bygningsrammer kan utføres leddet, delvis stive eller stive (kontinuerlige). Omfattende regler og formler for kapasitetsbestemmelse finner vi bl.a. i Eurokode for stål og for aluminium. Korrekt beskrivelse av knutepunktsoppførselen er viktig for å kunne gjøre riktig konstruksjonsdesign, spesielt når vi benytter oss av avanserte dataprogrammer for dette. Reglene i standardene er til dels kompliserte, og det er av stor interesse å få vurdert vanlig forekommende knutepunktsgeometrier med nøyaktige analyser. I oppgaven skal det gjøres håndberegninger og datamaskinanalyser for å bestemme stivhet og kapasitet i knutepunkter, og sammenlignes med forsøksdata. Type oppgave: Forsøk, modellering, analyse Antall studenter: 2 Kontaktpersoner: A Aalberg, PK Larsen Kapasitet til platefelt med stivere Plater med stivere inngår i store bjelker, broer, beholdere, skip og andre større konstruksjoner. Omfattende beregningsregler er gitt stål- og aluminiumsstandarden. Problemet med plater med stivere er godt egnet for etteregning med datamaskinprogrammer, og beregningsresultater herfra kan gi god støtte til den eksisterende erfaringen på området og forståelsen av de reglene som er stilt opp. I Eurocode 3, del 1-5, er det beskrevet en alternativ metode Reduced stress method som skal undersøkes, og sammenlignes med de vanlige beregningsreglene for platefelt. Oppgaven omfatter litteraturundersøkelse, sammenligninger av regler, og numeriske simuleringer for utvalgte geometrier av avstivede plater. Type oppgave: Litteratur, analyse, modellering Antall studenter: 2 Kontaktpersoner: A Aalberg, PK Larsen

11 Modellering av tofase-stål med Elementmetoden Stål med en mikrostruktur bestående av martensitt og ferritt kalles DP-stål (dual phase). Dette er i dag en veldig viktig type (avansert) stål for bilindustrien, og andre områder følger etter. Fordelene med denne typen stål er lav flytespenning (før kaldbearbeiding), høy initiell fastning og stor bruddforlengelse. Til sammen gir dette utmerkede formbarhetsegenskaper. Kilden til disse gode egenskapene ligger i den spesielle mikrostrukturen til materialet og denne skal undersøkes nærmere ved hjelp av elementmetoden (FEM). Ved å modellere en representativ bit av materialet (på mikronivå; se figuren) og simulere forskjellige typer deformasjon kan man undersøke hvordan forskjellige parametere påvirker materialoppførselen (typisk flytekurven). Eksempler på parametere kan være: Hvilken fraksjon man har av hver fase Hvordan fasene er romlig fordelt (for en bestemt fraksjon av hver fase), se figuren Egenskapene til hver av fasene (elastiske, elastoplastiske osv.) Hva (mikro-) brudd i en av fasene har å si Det er også av stor interesse å undersøke hvordan romlig variasjon av materialegenskapene vil påvirke resultatene. I tillegg er det interessant å undersøke en del aspekt relatert til selve modelleringen: Utslag av forskjellige typer randbetingelser (spenning (last), deformasjon, periodisitet) Full 3D modell vs. 2D (plan spenning/tøyning eller aksesymmetri) Inkludere interne egenspenninger ved å foreskrive temperatur Oppgaven vil være begrenset til kun et utvalg av punktene ovenfor, og dersom flere velger oppgaven vil hver student/gruppe undersøke ulike punkter. for utvalgte geometrier av avstivede plater. Type oppgave: Modellering og simulering med Abaqus. Mulighet for å gjøre materialforsøk for å kalibrere materialmodell (invers modellering). Antall studenter: 1-6 (enkeltvis eller i grupper på 2) Kontaktpersoner: Espen Myklebust, OS Hopperstad