Master's Thesis

Application of the integrated digital image correlation method in residual stress measurement using the hole-drilling method

Final Thesis 11.31 MB

Author of thesis: Bc. Michal Hort

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Dávid Halabuk, Ph.D.

Reviewer: Ing. Gabriel Cabaj

Abstract:

This Master's thesis is focused on application and description of the integrated Digital Image Correlation (iDIC) method for residual stress measurement using the hole-drilling method. In order to evaluate non-uniform residual stresses using a blind hole in thick specimens, a numerical model was created using the finite element method, from which the necessary calibration coefficients were determined. The introductory part reviews the current capabilities of the iDIC method and provides a complete formulation of the algorithm for evaluating stresses in a thin-walled specimen with through-hole. The next and main part of the thesis focuses on the formulation and programming of an algorithm for determining non-uniform residual stresses. This is an ill-posed problem, therefore, Tikhonov-Phillips regularization was implemented into the algorithm. The optimal regularization parameter was determined using the L-curve method. The proposed computational algorithm, supported by custom image data pre-processing, was subsequently tested on synthetic image data with simulated noise and rigid-body movement, as well as on real experimental data. Based on the procedures presented in this thesis, it is possible to evaluate residual stress depth profiles directly from optical data.

Keywords:

residual stresses, hole-drilling method, integrated digital image correlation (iDIC), digital image correlation (DIC), optical deformation measurement, calibration coefficients, integral method, reverse methods

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student ve vymezeném čase prezentoval svou závěrečnou práci. Následně byly přečteny posudky vedoucího a oponenta spolu s přiloženými dotazy, na které student odpověděl. Po zodpovězení doplňujících dotazů bylo přistoupeno k odborné rozpravě. Kolik odvrtávacích kroků bylo v experimentu provedeno? Do jaké hloubky má při uvedeném algoritmu smysl vyhodnocovat napětí? Co lze obecně použít pro větší hloubky? Jak by se dala odvrtávací metoda použít pro větší hloubku? Co je rovnice problému (viz prezentace)? Vysvětlete iterační schéma vyhodnocování experimentu daným algoritmem. Po zodpovězení všech dotazů bylo vystoupení hodnoceno jako: A – výborně.

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Solid Mechanics, Mechatronics and Biomechanics

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.

Diplomová práca sa zaoberá využitím tzv. integrovanej digitálnej korelácie obrazu pri meraní zvyškových napätí pomocou odvŕtavacej metódy. Jedná sa o metódu pri ktorej sa priamo z obrazových dát pomocou integrovaných fyzikálnych rovníc určujú požadované veličiny, napríklad zvyškové napätie, bez potreby určovania obecného poľa posuvov na meranej oblasti. Princíp tejto metódy je síce zhruba popísaný v niekoľkých článkoch, ale jeho detailná implementácia nie je nikde uvedená. Cieľom diplomovej práce preto bolo oboznámenie sa s touto metódou a vytvorenie funkčného algoritmu využívajúceho integrovanú digitálnu koreláciu pri meraní zvyškových napätí pomocou odvŕtavacej metódy. Študent pracoval samostatne, systematicky a prejavil veľkú mieru porozumenia danej problematiky. Okrem samotného algoritmu na výpočet zvyškového napätia, vytvoril aj niekoľko výpočtových modelov potrebných k určeniu kalibračných konštánt a k overeniu funkčnosti daného algoritmu. Naviac navrhol komplexný postup predspracovania obrazu, ktorý zvyšuje použiteľnosť metódy pri reálnych aplikáciách v praxi. Diplomová práce je vypracovaná na veľmi 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 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. Gabriel Cabaj

Predložená práca pána Horta rieši vysoko aktuálny problém, a síce implementáciu integrovanej digitálnej obrazovej korelácie pre určovanie zvyškových napätí pomocou odvŕtavacej metódy. Práca splnila všetky vytýčené ciele. Je nutné oceniť ucelenú a detailnú matematickú formuláciu iDIC algoritmu, ktorý bol podľa rešeršnej analýzy doteraz nedostupný v celistvej forme. Autor doplnil odvodenie a popísal prevod do funkčného kódu. Detailne pojednáva o podmienenosti úlohy pri optimalizačnom procese. Validácia na syntetických a experimentálnych dátach je na vysokej úrovni, autor v nej uvádza limity a prípadne navrhuje riešenia. K práci mám iba drobné pripomienky, a síce: rešeršná analýza je na dostatočnej úrovni, ničmenej podľa môjho názoru by v niektorých častiach práce mohli byť niektoré, nie úplne triviálne pojmy, z oblasti DIC a spracovania obrazu popísané hlbšie; na druhej strane pre orientujúceho sa čitateľa je obsah dostatočný. Odkazy na rovnice sa zvyčajne uvádzajú do zátvoriek, objavuje sa nejednotná terminológia "pnutí"/"napětí" a nesúlad v označení rádu matice. Rozdielové pole z obrázku 11 by mohlo byť zobrazené ako spočítaný rozdiel dvoch polí v jednom obrázku namiesto dvoch samostatných obrázkov, bolo by to podľa môjho názoru názornejšie. Na záver je nutné vyzdvihnúť autorovu prácu, ktorá vytvára silný základ pre možné pokračovanie vo výskume týmto smerom. Doporučujem k obhajobe a hodnotím známkou A/výborne.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
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 A
Topics for thesis defence:
  1. Pri hľadaní stredu otvoru uvádzate, že je nutné poznať jeho polohu "presne" - vedeli by ste kvantifikovať akú presnosť algoritmus vyžaduje aby bola odchýlka napätia nevýznamná?
  2. Aké sú podľa Vás hlavné limity metódy iDIC v jej súčasnej podobe a kedy by ste zvolil skôr "klasické dvojkrokové" DIC?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová