Master's Thesis

Determination of residual stresses using the hole-drilling method and digital image correlation considering finite specimen dimensions

Final Thesis 4.13 MB Appendix 4.13 kB

Author of thesis: Bc. Laura Košinová

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Dávid Halabuk, Ph.D.

Reviewer: Ing. Petr Vosynek, Ph.D.

Abstract:

This thesis investigates the influence of finite specimen dimensions on residual stress evaluation using the hole-drilling method with digital image correlation (DIC). Standard evaluation procedures assume an infinite body, which neglects boundary effects that become significant in small components.
Finite element simulations of the hole‑drilling process were performed in ANSYS for various near‑edge configurations. Calibration coefficients for the infinite‑body case were determined and used in a MATLAB algorithm for residual stress evaluation. The influence of free edges was quantified by analysing relative errors in the calculated stresses for various stress states and geometries.
To reduce the influence of boundary effects, an iterative correction approach was proposed, in which the measured displacement field is modified using correction functions updated through a fixed-point scheme. The method is applicable under a set of assumptions discussed in the thesis, including uniform residual stresses.
The proposed approach was validated and demonstrated accurate stress reconstruction across different geometries, stress states, edge distances, and hole geometries. The results confirm that the method effectively compensates for free-edge effects and extends the applicability of the hole-drilling method with DIC to  specimens with finite dimensions.

Keywords:

Residual stress, hole-drilling method, digital image correlation, finite element method, free edge effects, iterative correction algorithm

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Studentka ve vymezeném čase prezentovala svou závěrečnou práci. Následně byly přečteny posudky vedoucího a oponenta spolu s přiloženými dotazy, na které studentka odpověděla. Po zodpovězení doplňujících dotazů bylo přistoupeno k odborné rozpravě. Jak bylo využito symetrie na uvedených modelech? Jaké okrajové podmínky byly použity na volných stranách? Jak se na reálné součásti aplikuje znázorněné napětí? Jak by se situace lišila při uvažování teplotní napjatosti? Jak by se dal odfiltrovat šum, který uvedená data zkresloval? Po zodpovězení všech dotazů bylo vystoupení hodnoceno jako: A – výborně.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Engineering Mechanics and Biomechanics (N-IMB-P)

Specialization

Engineering Mechanics (IME)

Composition of Committee

prof. Ing. Jan Vimmr, Ph.D. (předseda)
prof. Ing. Luboš Náhlík, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. Jindřich Petruška, CSc. (člen)
prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Michal Kotoul, DrSc. (člen)
prof. Ing. Pavel Hutař, Ph.D. (člen)
Ing. Jaroslav Suchánek (člen)
doc. Ing. Tomáš Návrat, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Dávid Halabuk, Ph.D.

Predložená diplomová práca sa zaoberá posúdením vplyvu konečných rozmerov meraného telesa na vyhodnotené zvyškové napätia merané pomocou odvŕtavacej metódy a digitálnej korelácie obrazu. Študentka najskôr vytvorila niekoľko výpočtových modelov, pomocou ktorých vyhodnocovala rôzne prípady, kedy je vŕtaný otvor pri voľnom okraji meraného telesa. Tieto modely boli taktiež použité na určenie potrebných kalibračných konštánt pre samotný výpočet zvyškových napätí z meraných posuvov. Následne študentka navrhla postup, pomocou ktorého je možné korigovať merané posuvy pre prípady, kedy je vŕtaný otvor blízko voľného okraja. Pri testovaní navrhnutého postupu preukázala, že táto korekcia významne znižuje chybu vyhodnocovaných zvyškových napätí. Študentka pracovala samostatne, svedomito a systematicky. Text diplomovej práce je prehľadne členený a zrozumiteľný. Po formálnej stránke ale v práci chýba rozšírený abstrakt v českom/slovenskom jazyku, keďže je práca písaná v angličtine. Diplomová práce je vypracovaná na vysokej úrovni, preto ju hodnotím známkou „výborne“ a doporučujem ju k obhajobe.
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 C
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Petr Vosynek, Ph.D.

Diplomová práce se zabývá problematikou měření zbytkových napětí pomocí odvrtávací metody v kombinaci s digitální korelací obrazu (DIC), se zaměřením na konečné rozměry tělesa.

Text práce je psaný přehlednou formou a je členěn do logických celků, které na sebe navazují. Je psán v anglickém jazyce a nezaznamental jsem žádné formální a stylistické chyby. V ojedinělých případech bych ocenil lepší navedení čtenáře do popisovaného tématu, např. zmínit již v úvodu kapitoly 6.1, že parametr lp je proměnná a případně provázat kalibrační koeficienty v obrázku 24 kapitoly 8.2 s jejich definicí na str. 21.

Hlavním přínosem práce je návrh a implementace iteračního korekčního algoritmu, který modifikuje naměřené pole posuvů tak, aby eliminoval vliv volného okraje. Tento přístup byl podrobně verifikován pomocí numerických výpočtů metodou konečných prvků pro různé konfigurace a napěťové stavy.

Výsledky práce demonstrují praktický přínos navržené metody při měření zbytkového napětí odvrtávací metodou a použití DIC.

Práci hodnotím známkou 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 B
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Jak bude prakticky vypadat výpočet zbytkových napětí z laboratorně naměřených posuvů metodou DIC s využitím korekčního algoritmu, který v práci prezentujete?
  2. V kapitole 8.1 uvádíte předpoklady korekčního algoritmu, které ovšem nejsou limitem výpočtového modelu. Můžete objasnit, na základě čeho jsou tyto konkrétní předpoklady zavedeny?
  3. Jaká je náročnost korekčního algoritmu na strojový čas z hlediska velikosti zpracovávané oblasti naměřených posuvů pomocí DIC?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová