Master's Thesis

Fatigue Life Prediction of Selected Agricultural Tractor Components Using Numerical Simulations

Final Thesis 6.82 MB

Author of thesis: Bc. David Vomela

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Václav Otipka, Ph.D.

Reviewer: Ing. Jozef Dlugoš, Ph.D.

Abstract:

Non-load-bearing tractor components are subjected to complex vibration loads during
operation, which can lead to fatigue damage and premature component failure. Reliable
prediction of the fatigue life of these components as early as the development phase is
therefore a key prerequisite for ensuring safety and reducing costs. This work deals with the
design and experimental verification of two methodological procedures for calculating
fatigue life using the finite element method. The first methodological approach is based on
the falling-rain method, while the second utilizes power spectral density and spectral
methods. Both approaches were implemented in the ANSYS Workbench environment and
the FEMFAT post-processor, including a detailed analysis of their applicability and
practical recommendations for engineering practice. To experimentally verify the proposed
sub-components of the methodology, a simplified test specimen was designed, on which
modal analysis was performed to identify natural frequencies, mode shapes, and damping.
Subsequent fatigue testing using vibration loads with time histories and PSD enabled the
validation of both procedures and a comparison of their accuracy. The findings were
subsequently applied to a non-load-bearing component of the Zetor 6170 tractor. The result
of this work is a verified methodological procedure enabling prediction of the fatigue life of
non-load-bearing tractor components as early as the development phase.

Keywords:

vibration fatigue, tractor, fatigue testing, spectral methods, rainflow, power spectral density

Date of defence

17.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaCznamka

Grading

C

Process of defence

Student seznámil zkušební komisi s průběhem a výsledky své závěrečné práce. Následně zodpověděl otázky oponenta. Dále odpovídal na otázky členů komise: Co bylo potřeba pro stanovení koeficientů alfa a beta? Zodpovězeno Co je potřeba pro realistické stanovení těchto koeficientů? Zodpovězeno Jaké bylo kritérium volby metody? Zodpovězeno Co je důležité pro predikci životnosti? Zodpovězeno Jakým způsobem by bylo možné monitorovat životnost stroje? Zodpovězeno

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Automotive and Material Handling Engineering (N-ADI-P)

Composition of Committee

prof. Ing. Václav Píštěk, DrSc. (předseda)
doc. Ing. Pavel Kučera, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Marek Bačovský (člen)
Ing. Petr Škara (člen)
Ing. Tomáš Heger (člen)

Supervisor’s report
Ing. Václav Otipka, Ph.D.

Diplomová práce pana Davida Vomely se zabývá problematikou hodnocení únavové životnosti nenosných částí traktoru. Hlavním cílem práce bylo navrhnout vhodný přístup v rámci analýzy únavové životnosti zjednodušeného zkušebního vzorku a nabyté znalosti dále aplikovat na reálnou komponentu traktoru.

Několik prvních kapitol práce tvoří rešerše, jež má celkem 36 stran. Praktická část je pak zpracována na celkově 35 stranách. Rešeršní část je až příliš rozsáhlá vzhledem k informační hodnotě, kterou poskytuje pro hlavní tematiku řešenou v práci. Například první kapitola obsahuje obecný popis konstrukce traktoru a navíc je místy založena na ne zcela vhodných zdrojích pro daný typ práce. Student byl na tuto skutečnost během konzultací upozorněn, a ačkoliv některé kapitoly vypustil, v práci se stále nacházejí méně přínosné pasáže.

Praktická část práce je založena na běžně užívaných metodách a známých postupech. Student v průběhu řešení své práce pravidelně konzultoval postup řešení nejen se svým vedoucím. Přesto bylo občas nutné některé dílčí problémy opakovaně diskutovat a zpřesňovat navržený postup řešení. Jsem také toho názoru, že výsledky uvedené v diplomové práci mohly být zpracovány a vyhodnoceny detailněji. Například bych uvítal rozšíření o analýzu vlivu charakteru zátěžného cyklu na dílčí poškození. Některé závěry v práci působí svou interpretací jako obecně platné, nicméně bylo by vhodné explicitně uvést, že se vztahují ke konkrétnímu řešenému případu. Text práce neplyne vždy zcela přirozeně a některá tvrzení působí stylisticky těžkopádně.

Pozitivně však hodnotím skutečnost, že pro zjednodušený vzorek bylo studentem provedeno několik technických experimentů, které umožnily zvolené výpočtové přístupy validovat. Navíc bylo v rámci srovnání výsledků dosaženo akceptovatelné shody.

Z formálního hlediska se v práci objevují spíše menší nedostatky. Vkládané reference na informační zdroje nejsou vždy zcela správně provedeny. Je nutné rozlišovat, zda se zdroj vztahuje pouze k jedné větě, či například k celému odstavci. Doporučuji také uvádět konkrétní odkazy na webové stránky namísto odkazu pouze na domovskou stránku webu. K celkovému provedení práce lze dále uvést, že je místy nevhodně formátována, některým grafům scházejí jednotky, popisky obrázků jsou nejednotné a kvůli nižší kvalitě některých obrázků se část informací stává obtížně čitelnou.

Student využil v rámci své práce metody AI, což je rovněž uvedeno přímo v textu práce. Z tohoto hlediska tedy nemám žádné výhrady.

Student splnil veškeré cíle práce stanovené v zadání. Práci doporučuji k obhajobě s výsledným hodnocením „C“.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita C
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry C
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii C
Logické uspořádání práce a formální náležitosti C
Grafická, stylistická úprava a pravopis C
Práce s literaturou včetně citací C
Samostatnost studenta při zpracování tématu D

Grade proposed by supervisor: C

Reviewer’s report
Ing. Jozef Dlugoš, Ph.D.

Hlavný cieľ diplomovej práce je vypočítať únavovú životnosť nenosnej časti traktoru. Na overenie postupu správnosti výpočtu má študent aplikovať algoritmus na zjednodušený vzorek, ktorý je experimentálne testovaný.

Rešerše má celkovo 37 strán. Veľká časť rešerše je príliš všeobecná a študent ju mal vypustiť. Je to napr. všeobecný popis traktorov, inštrumentácie a základné hodnotenia únavy. Prínosná je až analýza záťažného cyklu v časovej a frekvenčnej doméne a ich porovnanie, a prezentácia noriem zameraných na testovanie životnosti traktorov.

Praktická časť začína predstavením skúšobného vzorku. Chýba detailnejší popis, prečo bol zvolený práve takýto tvar. Vzorek je ďalej podrobený výpočtom v časovej a frekvenčnej doméne za účelom získania počtu cyklov do poškodenia. Nie sú uvedené lineárne materiálové vlastnosti, ktoré boli v analýzach použité. Výpočtová sieť, ktorá je prezentovaná ako tá správna, je rozdielna od použitej siete pre výpočet v časovej doméne (Obr. 42, Obr. 45). Na výsledkoch je iba jeden prvok po hrúbke. Použité koeficienty tlmenia sú uvedené bez akéhokoľvek zdroja. Až ďalej v texte je popis uskutočnenej experimentálnej modálnej analýzy, ktorej výsledkom sú aj koeficienty tlmenia. Aj napriek zmätočnému a chaotickému popisu pri pohľade na prezentované výsledky je možné prehlásiť, že zhoda medzi experimentami a výpočtom je veľmi dobrá.

Ďalej je postup výpočtu únavy aplikovaný na nenosnú konzolu traktoru. Autor vyhodnocuje miesto veľmi blízke lineárneho kontaktu. Napriek tomu, že bol na to ústne upozornený na konzultácii, že to nie je možné.

Autorovo vyjadrovanie a prezentovanie niektorých tvrdení pôsobí dojmom, že nepochopil ich podstatu. Takýchto situácii sú v práci desiatky. Napr. “Metoda kritické roviny, kdy zatížení je rozděleno do tzv. kandidátních rovin a na každé rovině se uvažuje jednoosé zatížení, ze kterého se vypočte únavové poškození.” V skutočnosti je uvažované normálové a šmykové napätie v tejto rovine. Uvádza to aj zdroj, ktorý autor cituje. Podobné nezrovnalosti sú aj v praktickej časti práce.

Ciele diplomovej práce boli splnené. Dokonca pri porovnaní vypočítaných a nameraných výsledkov je skvelá zhoda. Pri takto skvelých výsledkoch by si ale textové spracovanie zaslúžilo viac starostlivosti.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání C
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod C
Vlastní přínos a originalita D
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry D
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii C
Logické uspořádání práce a formální náležitosti C
Grafická, stylistická úprava a pravopis D
Práce s literaturou včetně citací C
Topics for thesis defence:
  1. Ako sú výsledky únavovej životnosti závislé na koeficientoch tlmenia u zjednodušeného vzorku?

Grade proposed by reviewer: C

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová