W dniu 20 października 2023 r. o godzinie 12:00 w sali nr 34, w budynku nr 62 Wydziału Inżynierii Mechanicznej Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie, ul. gen. Sylwestra Kaliskiego 2, odbyła się publiczna obrona rozprawy doktorskiej mgr. inż. Radosława Ciepielewskiego na temat: „Modelowanie komputerowe struktur ulowych do zastosowań specjalnych z uwzględnieniem empirycznych charakterystyk wytrzymałościowych”.
Prezentowana rozprawa opisuje jedno z rozwiązań problemu wspomagania projektowania elementów energochłonnych opartych o ażurowe, cienkościenne, komórkowe struktury o zorientowanej budowie, przeznaczonych w szczególności do ochrony biernej pojazdów. W pracy założono, że wyznaczenie stałych charakterystycznych dla tego typu struktur, niezbędnych do budowy złożonych modeli, jest możliwe przy zastosowaniu połączenia metod komputerowych oraz badań eksperymentalnych. W koncepcji pracy badania eksperymentalne były znacznie ograniczone, co pozwala na obniżenie kosztu oraz zmniejszenie czasochłonności. Na podstawie powyższych założeń sformułowano cel pracy, którym było opracowanie algorytmu postępowania mającego na celu efektywne i szybkie wyłonienie podstawowych właściwości mechanicznych i charakterystyk naprężeniowo-odkształceniowych aluminiowych struktur o budowie plastra miodu w drodze analiz MES, a następnie zastosowanie ich do opisu materiałowego modelu konstytutywnego przeznaczonego do modelowania struktur w konstrukcjach o znacznych gabarytach.
W pracy przedstawiono przegląd aktualnego stanu wiedzy w zakresie materiałów i konstrukcji stosowanych jako elementy pochłaniające energię kinetyczną, zwłaszcza pochodzącą od fali uderzeniowej wybuchu. Przeprowadzono analizę literatury w aspekcie eksperymentalnych, numerycznych i analitycznych badań, których celem była obserwacja zjawisk zachodzących w procesie niszczenia cienkościennych struktur pod wpływem jednoosiowego ściskania. Przedstawiono metody modelowania numerycznego struktur uformowanych w postaci plastrów miodu wykonanych z aluminium – jednych z popularniejszych struktur stosowanych na rdzenie konstrukcji przekładkowych.
Na podstawie badań literaturowych określono metodyki wykorzystane następnie do przeprowadzenia eksperymentalnego wyznaczenia parametrów wybranej struktury, w tym podstawowej charakterystyki określającej przebieg wartości naprężenia w funkcji odkształcenia objętościowego. Charakterystyka ta jest niezbędna do modelowania rdzeni cienkościennych przy użyciu konstytutywnych modeli materiałowych, traktujących je jako ciała homogeniczne, o budowie jednorodnej. Podobne charakterystyki wyznaczono wykonując symulacje numeryczne procesu statycznego ściskania. Pierwsze z wykorzystanych podejść do modelowania odzwierciedlało budowę rdzenia analogiczną, jak wykorzystana do badań eksperymentalnych próbki. Drugie obejmowało wyłącznie pojedynczy, podstawowy sektor struktury w kształcie litery Y. Wszystkie z zaprezentowanych podejść pozwoliły na uzyskanie podobnych ilościowo i jakościowo wyników.
Kolejnym etapem prowadzonych prac było wytypowanie i eksperymentalne przebadanie próbek o różnej budowie (wielkości pojedynczej celi i grubości ścianki). Badania prowadzono przy użyciu aparatury pozwalającej na uzyskanie różnych prędkości odkształcenia, tj. uniwersalnej maszyny wytrzymałościowej INSTRON 8802, młota opadowego oraz stanowiska dzielonego pręta Hopkinsona. Próby realizowano w zakresie prędkości odkształcenia od 10-2 do 103. Uzyskane wyniki zestawiono i zapisano wynikające z nich wnioski.
Otrzymane wyniki badań eksperymentalnych porównano z uzyskanymi w drodze symulacji numerycznych, przeprowadzonych z zastosowaniem elementu Y. Następnie przeprowadzono numeryczne obliczenia ściskania struktur ulowych modelowanych jako ośrodki homogeniczne.
Oszacowano również wpływ zamkniętego wewnątrz rdzenia powietrza na ostateczne charakterystyki wytrzymałościowe wraz ze wzrostem prędkości odkształcenia, a następnie zaproponowano podejście umożliwiające uwzględnienie powyższego w homogenicznym modelu materiału. Uzyskane w poprzednich krokach parametry oraz charakterystyki posłużyły do wykonania szeregu modeli, których poprawność działania i otrzymywanych wyników przeanalizowano, zwalidowano i podsumowano wnioskami.
Opracowana, autorska metoda daje możliwość uzyskania podstawowych danych, parametrów wytrzymałościowych aluminiowych struktur ulowych na podstawie wyłącznie danych katalogowych lub pomiarów geometrii oraz wiedzy na temat materiału, z którego wykonano rdzeń. Przy jej użyciu możliwe jest uzyskanie wiarygodnych wyników analiz wytrzymałościowych złożonych geometrycznie modeli w szerokim spektrum prędkości odkształcenia, w których uwzględnienie szczegółowej, cienkościennej struktury byłoby nieuzasadnione z uwagi na czasochłonność przygotowania modelu oraz obliczeń w stosunku do uzyskiwanego efektu. Tym samym pozwala na określenie rodzaju rdzenia przydatnego do danego zastosowania ograniczając czas i koszt prowadzenia prób empirycznych.
***
Praca początkowo była realizowana pod kierunkiem śp. prof. Wiesława Barnata.
Promotorem rozprawy doktorskiej była dr hab. inż. Danuta MIEDZIŃSKA, profesor Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie, zaś promotorem pomocniczym dr inż. Paweł DYBCIO z Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie.
Recenzentami byli: prof. dr hab. inż. Hubert DĘBSKI z Politechniki Lubelskiej oraz dr hab. inż. Piotr ŻACH, profesor Politechniki Warszawskiej.
W obronie wzięli udział: Dziekan WIM, członek zarządu PGZ pan Jakub Roszkowski i Dyrektor Biura Projektów Pancernych i Samochodowych PGZ pan Rafał Poradka, żona i córka śp. prof. Wiesława Barnata, rodzina i przyjaciele doktoranta.
