Master's Thesis

Possibilities of DIC in biaxial tensile test evaluation

Final Thesis 4.05 MB Appendix 325.32 kB

Author of thesis: Bc. Jiří Kučík

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Jan Řiháček, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Miroslav Jopek, Ph.D.

Abstract:

The presented thesis is focused on a comprehensive evaluation of the application of the Digital Image Correlation (DIC) method during a biaxial tensile test and on the subsequent transformation of the acquired data into a functional material model. A sheet made of austenitic stainless steel X5CrNi18-10 is utilized for the fabrication of the test specimens. The hydraulic bulge test method, performed in accordance with the ČSN EN ISO 16808 standard, is selected for the realization of the experiment. For this purpose, a testing fixture is designed and manufactured based on analytical calculations of membrane stress. Prior to manufacturing, the functionality and safety of the designed device are verified by a two-phase numerical simulation in the ANSYS 2025 R1 software environment. Based on these results, a limitation of the tested sheet thickness to a maximum of 1.5 mm and the necessity of implementing high-strength connecting bolts of class 12.9 are established. Subsequently, experimental testing and evaluation of the uniaxial tensile test supported by 2D DIC analysis, and the hydraulic bulge test utilizing the 3D DIC method for precise non-contact measurement of full-field strains, are performed. Through the final comparison of experimental data from the uniaxial and biaxial tensile tests, it was determined that the actual material behavior of the X5CrNi18-10 steel under uniaxial loading is most accurately approximated by the modified Hollomon hardening model, whereas the application of a linear model is the most suitable for describing the deformation behavior under biaxial stress conditions at higher strain values.

Keywords:

biaxial tensile test, bulge test, DIC, material models, numerical simulation, test fixture

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student prezentoval komisi výstupy a závěry své práce a zodpověděl dotazy oponenta. Dále byly studentovi položeny následující otázky: doc. Jopek – Jak se anizotropie promítá do numerických simulací? (otázka byla plně zodpovězena); doc. Jopek – Jak se definuje anizotropie v numerických simulacích? (otázka byla plně zodpovězena); doc. Jopek – Jak ovlivňuje teplota anizotropii? (otázka byla plně zodpovězena); Dr. Dohnal – Jak se liší výpočtový čas při použití modelu Hill 48 a Barlat 89? (otázka byla plně zodpovězena); Ing. Tomášek – Co je za materiál E295? (otázka byla plně zodpovězena); Ing. Tomášek – Jaká technologie tváření používá dvouosé tahové napětí? (otázka byla plně zodpovězena); Ing. Tomášek – Co je to superplastické tváření? (otázka byla plně zodpovězena); Ing. Tomášek – Jaký deformační mechanismus probíhá při superplastickém tváření? (otázka byla plně zodpovězena); prof. Schrek – V jaké orientaci byly vzorky pro jednoosé tahové testy? (otázka byla plně zodpovězena); prof. Schrek – Na obr. 55 máte snímek trhliny, jaký charakteristický tvar trhliny vzniká při hlubokém tažení? (otázka byla plně zodpovězena);

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Manufacturing Technology (N-STG-P)

Specialization

Manufacturing Technology (STG)

Composition of Committee

doc. Ing. Miroslav Jopek, Ph.D. (předseda)
prof. Ing. Milan Forejt, CSc. (místopředseda)
doc. Ing. Jana Šugárová, PhD. (člen)
prof. Ing. Alexander Schrek, PhD. (člen)
Ing. Jiří Tomášek, CSc. (člen)
Ing. Ivo Dohnal, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Jan Řiháček, Ph.D.

Závěrečná práce Bc. Jiříko Kučíka se věnuje vysoce aktuálnímu tématu, kterým je aplikace metody digitální korelace obrazu (DIC) při dvouosé tahové zkoušce a následná transformace získaných dat do funkčního materiálového modelu. Jako experimentální materiál byl pro zhotovení zkušebních těles zvolen plech z austenitické korozivzdorné oceli. Pro realizaci experimentu autor zvolil metodu hydraulického vyboulení dle normy ČSN EN ISO 16808, pro kterou na základě analytických kontrolních výpočtů úspěšně navrhl a zhotovil zkušební přípravek. Funkčnost a bezpečnost navrženého zařízení byla ještě před samotnou výrobou důsledně ověřena dvoufázovou numerickou simulací v softwarovém prostředí ANSYS. Z této analýzy vyplynula zásadní konstrukční omezení, konkrétně limit tloušťky testovaného plechu a nutnost implementace vysokopevnostních spojovacích šroubů třídy 12.9. V navazující praktické části student provedl experimentální testování a vyhodnocení jednoosé zkoušky s podporou 2D DIC analýzy a zkoušky vyboulením s využitím 3D DIC, která posloužila k přesnému bezkontaktnímu měření celoplošných polí deformací. Klíčovým výstupem práce je závěrečné porovnání experimentálních dat z jednoosé a dvouosé tahové zkoušky.

Student si při vypracování závěrečné práce počínal víceméně samostatně a prokázal vysokou úroveň teoretické i praktické orientace v řešené problematice. Velkým přínosem byla realizace sady ověřovacích měření ve spolupráci s firmou X-Sight. Student tato data korektně vyhodnotil a výsledky jednoznačně doložil chování materiálu za dvouosého tahového zatěžování. Práce tak představuje ucelenou studii s jasným a hmatatelným praktickým přínosem. Celkově oceňuji především snahu a invenci, se kterou student neúnavně a systematicky pracoval na splnění zadaného úkolu. Student tak prokázal schopnost samostatné inženýrské práce od teoretického návrhu přes numerické simulace až po samotnou realizaci a vyhodnocení experimentu.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
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 B
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu B

Grade proposed by supervisor: A

Diplomová práce Bc. Jiřího Kučíka se zabývá vysoce aktuální a odborně náročnou problematikou využití digitální korelace obrazu (DIC) při vyhodnocení dvouosé tahové zkoušky a následné transformaci získaných experimentálních dat do podoby materiálového modelu pro austenitickou korozivzdornou ocel X5CrNi18-10. Zvolené téma odpovídá současným trendům experimentální metod a představuje oblast s významným potenciálem nejen pro aplikaci v numerických simulacích tvářecích procesů.

Pro realizaci experimentální části byla zvolena metoda hydraulického vyboulení, která patří mezi pokročilé experimentální techniky umožňující studium materiálového chování za podmínek dvouosé napjatosti. Na základě analytických výpočtů membránové napjatosti autor navrhl a následně realizoval vlastní zkušební přípravek. Velmi pozitivně hodnotím skutečnost, že před vlastní výrobou byla funkčnost i bezpečnost navrženého zařízení ověřena dvoustupňovou numerickou simulací v prostředí ANSYS 2025 R1. Tento postup dokládá promyšlený a profesionální přístup k řešení technického problému. Experimentální část práce zahrnuje jak jednoosé tahové zkoušky s podporou 2D DIC analýzy, tak zkoušky hydraulickým vyboulením využívající pokročilou 3D DIC metodu pro bezkontaktní měření deformací. Oceňuji zejména rozsah provedených experimentů, jejich vzájemnou návaznost a kvalitní zpracování získaných dat. Autor prokázal schopnost efektivně kombinovat analytické postupy, experimentální měření i numerické nástroje, což představuje významnou přidanou hodnotu celé práce. Za velmi přínosné považuji závěrečné porovnání výsledků jednoosého a dvouosého namáhání, na jehož základě byly identifikovány vhodné materiálové modely pro popis deformačního chování zkoumaného materiálu. Bylo prokázáno, že pro jednoosé namáhání poskytuje nejpřesnější aproximaci modifikovaný Hollomonův model zpevnění, zatímco při dvouosé napjatosti a vyšších úrovních přetvoření vykazuje nejlepší shodu lineární model. Tyto výsledky mají praktický význam a představují cenný podklad pro budoucí numerické modelování. Velmi kladně hodnotím také strukturu práce a způsob zpracování teoretické části. Autor vhodně vychází z aktuálních vědeckých poznatků, které kriticky analyzuje a následně využívá při návrhu vlastního experimentálního zařízení. O vysoké aktuálnosti tématu svědčí rovněž použitá literatura, která zahrnuje 43 zdrojů, přičemž převážná část pochází z posledních pěti let. Práce současně dokládá autorovu schopnost komplexního inženýrského uvažování. Vedle analytických výpočtů jsou vhodně využity numerické simulace založené na relevantních materiálových modelech a jejich výsledky jsou následně ověřeny experimentálním měřením. Úspěšná realizace zkušebního přípravku a získání kvalitních experimentálních dat potvrzují správnost zvoleného postupu i vysokou úroveň provedení celé studie. Pozitivně hodnotím rovněž způsob vyhodnocení jednoosých tahových zkoušek, kde byl i přes absenci klasického kontaktního extenzometru efektivně využit optický extenzometr a následné zpracování dat v softwaru TIRA Test. Pro další zvýšení odborné úrovně práce by bylo vhodné doplnit podrobnější statistické vyhodnocení experimentálních výsledků, například o směrodatné odchylky nebo intervaly spolehlivosti. Přínosné by bylo rovněž jednoznačné uvedení orientace zkušebních těles vzhledem ke směru válcování plechu, neboť tato informace může mít vliv na interpretaci získaných materiálových charakteristik. Z formálního hlediska by bylo vhodné důsledněji sjednotit uváděné jednotky podle soustavy SI.

Celkově hodnotím diplomovou práci jako velmi kvalitní a komplexně zpracované dílo s výrazným experimentálním přesahem. Autor úspěšně propojil moderní experimentální metody, numerické simulace i analytické postupy a prokázal schopnost samostatně řešit technicky náročný výzkumný úkol. Výsledky práce představují hodnotný základ pro další výzkum a mohou být využity jako vstupní data pro pokročilé numerické analýzy. Dalším logickým krokem by mohla být přímá implementace vytvořených materiálových modelů do výpočetního softwaru a jejich validace vůči experimentálním výsledkům. Závěrem lze konstatovat, že autor prokázal velmi dobré odborné znalosti, schopnost samostatné tvůrčí práce i odpovídající inženýrský přístup k řešení zadané problematiky. Diplomová práce splňuje požadavky kladené na tento typ kvalifikačních prací a doporučuji ji k obhajobě s vysokým hodnocením.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Jak jsou normálová a plošná anizotropie materiálu definovány a jak se jejich vliv promítá do materiálových modelů používaných v numerických simulacích?
  2. Jaký vliv mají rychlost deformace a teplota na anizotropní chování materiálu?
  3. Jak se liší predikční schopnosti Hillova a Barlatova kritéria při popisu mezní křivky tvářitelnosti? Který z modelů byste doporučil pro simulaci hlubokého tažení a proč?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová