Master's Thesis

Determination of residual fatigue lifetime of railway axle after surface treatment

Final Thesis 3.37 MB

Author of thesis: Ing. Ondřej Pánek

Acad. year: 2021/2022

Supervisor: prof. Ing. Luboš Náhlík, Ph.D.

Reviewer: Ing. Jan Poduška, Ph.D.

Abstract:

This master thesis deals with prediction of residual fatigue lifetime of railway axle. In the first part of this thesis, theoretical introduction to the issue based on research of available literature is elaborated. The second part is dedicated to numerical modelling of actual railway axle with crack, which serves to obtain the necessary parameters entering estimation of the residual fatigue lifetime. At first, a finite element model of cylindrical body with crack loaded by bending moment was created and compared with analytical solution for verification purposes. The second step was the creation of separate models of railway axle with crack for three types of loading – bending moment, press fit of wheel and residual stresses, respectively. Furthermore, the shape of various crack propagation stages was determined, according to the methodology developed at IPM CAS. Using the determined crack shape, stress intensity factors were calculated separately from all types of loads for various crack depths. Dependence of stress intensity factor on the crack length was then used to calculate residual fatigue life for real loading spectrum.

Keywords:

residual fatigue lifetime, railway axle, crack propagation, residual stresses

Date of defence

13.06.2022

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student ve vymezeném čase prezentoval svoji diplomovou práci, dále byly přečteny posudky a zodpovězeny dotazy oponenta. Poté byly členy komise položeny následující otázky související s diplomovou prací: Je správný výraz „zatížení ohybovým momentem“? Do jaké hloubky pod povrchem byla předepisována zbytková napětí? Co znamenají počty cyklů, které uvádíte? Jaké různé typy zatížení byly uvažovány? Zkoušel jste k vyhodnocení použít metodu stékajícího deště? Jaký počet cyklů byl nutný pro nukleaci trhliny? Po zodpovězení všech dotazů byla obhajoba celkově hodnocena jako výborná / A.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Engineering Mechanics and Biomechanics (N-IMB-P)

Specialization

Engineering Mechanics (IME)

Composition of Committee

prof. Ing. Vladislav Laš, CSc. (předseda)
prof. Ing. Luboš Náhlík, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. Jindřich Petruška, CSc. (člen)
prof. Ing. Pavel Hutař, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jaroslav Zapoměl, DrSc. (člen)
prof. RNDr. Michal Kotoul, DrSc. (člen)
prof. Ing. Zdeněk Hadaš, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Tomáš Návrat, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Přemysl Janíček, DrSc. (člen)

Supervisor’s report
prof. Ing. Luboš Náhlík, Ph.D.

Bc. Ondřej Pánek se tématu diplomové práce zhostil příkladným způsobem. Byl schopen samostatně studovat cizojazyčnou literaturu a hledat v ní vhodné postupy. Na vysoké úrovni je jeho znalost numerického modelování v systému Ansys, kdy byl schopen vytvořit velké množství parametrických numerických modelů, nezbytných k řešení diplomové práce. Průběh práce pravidelně konzultoval, přičemž využíval zázemí poskytované Ústavem fyziky materiálů AV ČR, v. v. i. Cením si jeho schopnosti samostatně odborně pracovat a vyvozovat korektní závěry. Chvályhodný je také jeho vyspělý písemný projev, který považuji u studenta magisterského studia za vysoce nadstandardní. S ohledem na výše uvedené i fakt, že student zcela a bez připomínek splnil zadání diplomové práce, navrhuji jeho hodnocení A – výborně.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Jan Poduška, Ph.D.

Diplomová práce Bc. Ondřeje Pánka se zabývá výpočtem zbytkové životnosti vlakových náprav. V první polovině práce je zpracován teoretický úvod do problematiky přístupu „damage tolerance“, lineárně elastické lomové mechaniky a různých způsobů výpočtu zbytkové životnosti součástí s trhlinou a jsou zde také popsány faktory, které životnost ovlivňují konkrétně u vlakových náprav – především zbytková napětí. Věcně je tato část pojednána správně, ale chybí zde rešerše v oblasti způsobů určování zbytkové životnosti vlakových náprav a metodik jejich navrhování a posuzování způsobilosti k provozu. V zadání práce je napsáno, že v práci bude použita metodika výpočtu zbytkové životnosti vyvinutá na ÚFM (a ta je v teoretické části zřejmě popsána), ale bylo by vhodné uvést i jiné metodiky posuzování náprav a porovnat jejich výhody a nevýhody, což by práci zasadilo do širšího rámce.
V druhé polovině je pak zpracováno modelování vlakových náprav s trhlinou pomocí MKP a na to navazující výpočty zbytkové životnosti v konkrétních případech, které zohledňují mimo základního namáhání nápravy ohybem také vliv nalisování kola a zbytková napětí. Tvar poloeliptické trhliny byl optimalizován tak, aby průběh součinitele intenzity napětí po čele byl konstantní. Výpočtů bylo provedeno skutečně úctyhodné množství a výsledky z nich jsou zpracovány velmi přehledně. Je vidět, že práci se konečnoprvkovým softwarem Ansys a postup výpočtu životnosti se zátěžnými spektry zvládl student dobře. Chci také vyzdvihnout velmi dobře provedenou diskusi výsledků, dodatečnou analýzu a zdůvodnění některých jevů a logicky formulované závěry. Musím ale zmínit, že dobrý dojem z této části snižuje poněkud nízká kvalita provedení grafů s výsledky – vidím problém s výsledným exportem grafů jak z Excelu tak z Matlabu, popisky os a legendy jsou špatně čitelné. Také se především v této části objevují na různých místech některá tvrzení, která by zasloužila uvést referenci – jedná se např. o tvrzení o běžné životnosti náprav řádově nad 1 000 000 km (str. 73) nebo některé popisy funkcí konečnoprvkového systému v kapitole o nezávislosti řešení na síti.
Celkově je práce stále nadprůměrná i přes uvedené nedostatky. Cíle zadání byly v práci také beze zbytku splněny. Proto práci hodnotím celkově stupněm A a doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací B
Topics for thesis defence:
  1. Jaké jsou jiné metodiky stanovení výpočtu životnosti vlakových náprav? V čem spočívají a jaké jsou jejich výhody a nevýhody v porovnání s metodikou použitou v práci?
  2. Modely jsou vytvořeny z prvků typu SOLID, které nemají v uzlech rotační stupně volnosti. Jak bylo provedeno zatížení ohybovým momentem?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová