RECENZJA PRACY DOKTORSKIEJ

Transkrypt

1 Prof. dr hab. inż. Tomasz Kubiak Łódź, 6 czerwca 2018r. Politechnika Łódzka Katedra Wytrzymałości Materiałów i Konstrukcji Łódź, Stefanowskiego 1/15 RECENZJA PRACY DOKTORSKIEJ mgr inż. Krzysztofa Puchały p.t.: Koncepcja i analiza wytrzymałości mechanicznego połączenia metal-kompozyt w strukturze lotniczej 1. Podstawa opracowania oceny Niniejszą ocenę rozprawy doktorskiej wykonanej pod kierunkiem dr hab. Elżbiety Szymczyk, prof. WAT i promotora pomocniczego dr inż. Jerzego Jachimowicza, opracowano na zlecenie Dziekana Wydziału Mechanicznego Wojskowej Akademii Technicznej dr hab. inż. Jerzego Małachowskiego, prof. WAT, z dnia 23 maja 2018 r. 2. Treść pracy Budowa statków powietrznych opiera się na składaniu, łączeniu dużych elementów głównie poprzez nitowanie. Już w przypadku blach aluminiowych występował problem trwałości tych połączeń, a trwa nadal w związku z faktem zastosowania innych materiałów jakimi są laminaty typu FRP czy FML. Temat podjęty przez doktoranta, zapewne jest stosunkowo dobrze rozpoznany przez inżynierów pracujących na potrzeby firm lotniczych, produkujących samoloty wojskowe (np. F-16 produkowany od połowy lat 70. XX wieku), czy pasażerskie takie jak Boening 787 czy Airbus 350. Pomimo tego, a może właśnie dla tego, temat ten nie jest opisany w literaturze. W związku z powyższym podjęcie tematu opracowania procedury badań wytrzymałościowych jak i koncepcji takiego połączenia jako wytrzymałego i trwałego uważam za zasadne i ważne. Praca została napisana na 204 stronach i składa się z 9. rozdziałów, spisu oznaczeń, spisu literatury zawierającej 166 pozycji oraz dodatku. W rozdziale pierwszym autor rozprawy dokonuję oceny ważności podjętego tematu na tle ogólnego stanu wiedzy oraz w podrozdziale 1.1 opisuje zaproponowany współczynnik masowej efektywności struktury. Rozdział drugi to przegląd literatury poświęcony głównie charakterystyce różnych rodzajów konstrukcji cienkościennych oraz metod wprowadzania do tych konstrukcji obciążeń skupionych odnosząc się gównie do pracy Z. Brzoski z 1965r. Autor rozprawy w tym rozdziale przedstawia sposoby połączeń mechanicznych stosowane w konstrukcjach lotniczych oraz metody poprawy wytrzymałości na docisk. Strona 1 z 6

2 W kolejnym, trzecim rozdziale, Doktorant jasno definiuje cel swoich badań naukowych jakim jest: zaprojektowanie połączenia śrubowego lub nitowego blachy metalowej i kompozytowej oraz opracowanie metodyki analizy wytrzymałości tego typu połączeń. W rozdziale czwartym na podstawie powszechnie dostępnej literatury przybliżone zostają elementy mechaniki kompozytów. Rozdział piąty zatytułowany obiekt badań zawiera: przedstawienie zaprojektowanego połączenia metalu z laminatem zmniejszającym poziom naprężeń dociskowych i poprawiającym wytrzymałość proponowanego połączenia, opis elementów stosowanych w modelach numerycznych tego typu połączeń, analizę numeryczną wybranych elementów modelu oraz wstępną analizę numeryczną zaproponowanego połączenia wraz z otrzymanymi wynikami i ich dyskusją. Rozdział szósty zawiera projekt i opis sposobu produkcji i technologii zastosowanych w zaproponowanym rozwiązaniu konstrukcyjnym laminatu. Doktorant w rozdziale siódmym przybliża czytelnikowi metody eksperymentalne stosowane do wyznaczania właściwości materiałowych potrzebnych do prowadzenia analiz numerycznych elementów z materiałów izotropowych i laminatów. W rozdziale tym opisane są również: próby wyznaczania naprężeń na docisk oraz doświadczalna próba badania wytrzymałości śrubowego połączenia metal - laminat. W rozdziale ósmych mgr. Krzysztof Puchała prezentuje model numeryczny połączenia, pozwalający analizować jego wytrzymałość wraz z jego walidacją i ewolucją pozwalającą uzyskać model numeryczny jak najlepiej odzwierciedlający wyniki badań doświadczalnych. Autor rozprawy w rozdziale tym dyskutuje, które elementy modelu i dlaczego powinny być uwzględnione, a które mogą zostać pominięte w najlepiej odzwierciedlającym eksperyment modelu numerycznym. Rozdział dziewiąty to podsumowanie i wnioski w trzech obszarach, na które podzielono badania tj. w obszarze zastosowanych materiałów, rozwiązań konstrukcyjnych i aspektów technologicznych oraz w obszarze modelowania numerycznego. Ponadto w pracy zamieszczono dodatek zawierający szczegółowy opis założeń technicznotechnologicznych i rysunki wykonawcze próbek do badań, prowadzonych w ramach pracy naukowej, której efektem jest oceniana rozprawa. 3. Ocena pracy Układ i podział treści. Oceniając układ pracy i podział treści stwierdzam, że zastosowany przez Doktoranta jej podział wydaje się mało fortunny, np. rozdział pierwszy zawiera zaledwie jeden podrozdział wydaje się, że podział powinien być dokonany co najmniej na dwa podrozdziały. Podrozdział 1.1. opisujący opracowaną metodę masowej oceny efektywności struktury powinien być umieszczony po rozdziale, w którym zdefiniowany jest cel i zakres pracy. Przegląd literatury stanowi przegląd podstawowych prac związanych z konstrukcjami cienkościennymi, opisem metod łączenia elementów w strukturach lotniczych oraz metod poprawy wytrzymałości na docisk. W ocenie Recenzenta powtarzanie podstaw teoretycznych w rozprawie doktorskiej nie jest potrzebne, a rozdział zatytułowany przegląd literatury powinien odnosić się do prac ściśle związanych z tematyką pracy, prezentujących inne metody, modele, rozwiązania, na podstawie których autor definiuje cel i zakres pracy pokazując jednocześnie swój nowatorski wkład. Nie zrozumiałe jest zamieszczenie w pracy elementów mechaniki kompozytów (rozdział 4) oraz opis badań doświadczalnych, pozwalających wyznaczyć niezbędne dane materiałowe, w sytuacji, gdy wykorzystano dane opublikowane Strona 2 z 6

3 przez innych autorów np. Tabela 7.3 i 7.4. Co prawda Doktorant jest współautorem prac cytowanych przy wyżej wymienionych tabelach, jednakże nie jedynym. W ocenie Recenzenta, opisy zawarte w rozdziale 4 (34 strony) i podrozdziałach 7.1 i 7.2 (16 stron) są nadmiarowe i niepotrzebnie powiększają objętość pracy. Podobnie jest z rozdziałem 5.2. (6 stron), w którym opisane są różne sposoby modelowania wystarczałoby wskazanie wybranych wraz z uzasadnieniem wyboru, czy wskazaniem wady tych nie zaadaptowanych w proponowanym modelu numerycznym. W pracy dwa razy występuje podrozdział 5.1. co powoduje, że rozdziały 5.2 do 5.4 są oznaczone niewłaściwie. Tytuły podrozdziału 5.1 i rozdziału 6 nie oddają precyzyjnie ich zawartości. W podrozdziale 5.1 nie wiadomo o jakich elementach (zastosowanych elementach skończonych czy wybranych zagadnieniach) pisze autor rozprawy wydaje się, że sformułowanie sposoby lub wybrane sposoby byłoby bardziej trafne. W rozdziale 6 zatytułowanym Projekt i analiza struktury laminatu brak jest wyników analizy zaproponowanego laminatu. Recenzent bardzo pozytywnie ocenia zastosowanie spisu oznaczeń, co znacznie poprawia czytelność pracy. Na szczególną pochwałę zasługuje jakość i precyzja zamieszczonych w pracy rysunków, co jest dziś stosunkowo rzadkie w pracach młodych badaczy, pomimo dostępności niezbędnych narzędzi informatycznych. Ocena merytoryczna. Po lekturze przedstawionej do oceny pracy, stwierdzam, że mgr inż. Krzysztof Puchała podjął się i rozwiązał zadanie polegające na opracowaniu rozwiązania konstrukcyjnego połączenia metal - kompozyt w poszyciu samolotu, zapewniającego jego bezpieczną pracę. Opracowana została ponadto metodyka badań doświadczalnych pozwalająca ocenić wytrzymałość takiego połączenia. Doktorant zaproponował model numeryczny, który pozwala odzwierciedlić wyniki otrzymywane w badaniach doświadczalnych. Zaproponowany model może pozwolić w przyszłości na prowadzenie analiz numerycznych innych podobnych rozwiązań konstrukcyjnych, uwzględniając aspekty wprowadzone do modelu przez doktoranta, którymi są: różnorodność właściwości materiałowych, nie tylko ze względu na sam materiał, ale również ze względu na aspekty technologiczne takie jak: wydzielenie się żywicy w obszarach styku laminat tytan w ramach danej warstwy oraz zniszczenie krawędzi otworów w procesie ich wiercenia; wprowadzenie różnych współczynników degradacji ze względu na strefy pracy połączenia. Ponadto stwierdzam, że najcenniejsze dla jakości rozprawy jest opisanie badań wykonanych przez jej autora, a więc treści zawarte w rozdziałach i podrozdziałach 5.1; 5.3, 5.4, 6, 7.3 i 7.4 oraz 8 i 9. Pomimo braku wypracowania zgodnego w 100% z doświadczaniem modelu połączenia metalu z laminatem typu FML, najbardziej wartościowy z punktu naukowego jest rozdział 8, który opisuje ewolucję zaproponowanych modeli numerycznych oraz poprawnie sformułowane wnioski zawarte w rozdziale 9. Opis otrzymanych krzywych obciążenie przemieszczenie w badaniach rozciągania rozważanych połączeń wskazuje na dociekliwość autora pracy, a dokładny opis faz procesu rozciągania ułatwia analizę i walidację przyjmowanych modeli numerycznych. Na szczególną uwagę zasługuje umiejętne wykorzystanie metod eksperymentalnych, w tym planowanie i prowadzenie eksperymentu, wykorzystanie numerycznych metod mechaniki do przeprowadzenia symulacji uwzględniających jak najwięcej aspektów zaobserwowanych w eksperymencie. Strona 3 z 6

4 Do oryginalnych osiągnięć Doktoranta zaliczyć należy: zaproponowanie rozwiązania konstrukcyjnego dla połączenia nitowego laminat metal ze wzmocnieniem laminatu w obszarze otworów; opracowanie metody masowej oceny efektywności struktury; przeprowadzenie walidacji zaproponowanego modelu numerycznego na podstawie wyników badań eksperymentalnych poprzez analizę wrażliwości z uwzględnieniem parametrów geometryczno-wytrzymałościowych laminatów; zastosowanie gradientowego modelu materiału do opisu zmian materiałowych wynikających z procesu technologicznego wiercenia otworu w laminacie. Biorąc pod uwagę wartość naukową pracy oraz możliwość natychmiastowej aplikacji jej wyników oceniam ją bardzo wysoko. 4. Uwagi krytyczne Pomimo, pozytywnej oceny pracy, jej Autor nie ustrzegł się kilku błędów, głównie wynikających z nieprecyzyjnych opisów. Uwagi krytyczne przedstawione poniżej mają raczej charakter dyskusyjny lub wymagają doprecyzowania przedstawionych tez Uwagi ogólne Sformułowania użyte na str. 20: Cechą charakterystyczną elementów cienkościennych jest mała grubości ścianki w stosunku do najmniejszego wymiaru gabarytowego w związku z tym można założyć, że element taki pracuje głównie w płaskim/błonowym stanie naprężenia, czy na str. 21: w warunkach jak najbliższych płaskiemu/błonowemu stanowi naprężenia wydaje się być nadużyciem, zbyt dużym uproszczeniem, gdyż elementy cienkościenne mogą mieć zgięciowy stan naprężeń i nadal być w płaskim stanie naprężenia. Stan zgięciowy jest mniej korzystny, ale na pewno występuje w stanie zakrytycznym. Zapewne podstawy teoretyczne zaczerpnięte z prac Z. Brzoski są cenne i ważne, jednakże należy pamiętać, że są to prace z przed ponad pół wieku. Od tamtego czasu pojawiło się wiele nowych materiałów i teorii, wraz z ich zastosowaniami. Praktycznie cały rozdział dotyczący podstaw teoretycznych bazuje na bardzo starych pracach np. Brzoska 1965 czy Argyris Autor wielokrotnie używa sformułowania nacisk zamiast docisk, czasami robi to zamiennie, natomiast w ocenie Recenzenta, w pracy mowa jest jedynie o docisku elementu łączącego (trzpienia, nitu, śruby) do powierzchni otworów elementów łączonych. Na str. 36 pojawia się stwierdzenie W trakcie przeglądu literatury natrafiono na jedno rozwiązanie [Fink i inni 2010a], którego koncepcja jest podobna do przyjętej w pracy i polega na zastosowaniu wkładek metalowych w otoczeniu otworu., będące literaturowym odniesieniem do proponowanego przez Doktoranta rozwiązania konstrukcyjnego, brak jest wykazania różnic pomiędzy tymi rozwiązaniami. Rozdział Cel i zakres pracy rozpoczyna się słowami jest tematem wielu aktualnie prowadzonych prac badawczych,, co nie znajduje potwierdzenia w przeglądzie literatury znajdującym się w poprzednim rozdziale, gdzie najnowsza cytowane praca pochodzi z 2012 roku, a pozostałe to prace z 2010 roku i starsze. Opisując degradację właściwości materiałowych (tu sztywności) w metodzie progresywnego zniszczenia, autor podaje bez wyjaśnienia, że wszystkie składowe sztywności zostają Strona 4 z 6

5 zredukowane do wartości najmniejszej składowej, a składowa najmniejsza do 10% swej nominalnej wartości. W rozdziale 6 przedstawiona jest koncepcja proponowanego rozwiązania konstrukcyjnego. Doktorant zamieszcza na str. 101 informacje o wymiarach wkładek kołowych i eliptycznych nie podając podstaw przyjęcia takich wymiarów. Bardzo dokładny opis przeprowadzonych badań doświadczalnych wykonywanych przy wyznaczaniu właściwości materiałowych elementów stosowanych w zaprojektowanym połączeniu, pozwala stwierdzić, że wyznaczono moduły sprężystości laminatu zarówno w próbach ściskania jak i rozciągania, a zatem brak jest informacji potwierdzających lub zaprzeczających przyjęte w analizie numerycznej założenie o ich równości. Dlaczego w funkcjach testowych opisujących procentową zmianę sztywności w otoczeniu otworu laminatu jako wartość minimalną przyjęto 7% (str. 135). Określenie sztywność resztkowa, czyli sztywność wynikająca z jakiegoś wcześniejszego procesu, w ocenie Recenzenta nie jest poprawne, proponuje się użycie np. minimalna sztywność struktury zdegradowanej lub minimalna sztywność degradacji. Ponadto, analizując pola o różnej minimalnej sztywności degradacji (np. rys lub 8.18) wydaje się, że nie są one przyjęte poprawnie w odniesieniu do miejsc, w których płyta jest rozciągana (symetrycznie po obu stronach otworu oraz pomiędzy otworem i miejscem obciążenia) oraz w których występują naprężenia dociskowe (przed frontem trzpienia) Uwagi szczegółowe Recenzent nie oczekuje odpowiedzi Doktoranta w odniesieniu do poniższych uwag szczegółowych, które mają charakter porządkowy: w oznaczeniach dla jednej przyjętej litery przypisane jest kilka znaczeń; str. 12 zamiast Wymiarowanie pokryć jest determinowane wyboczeniem bardziej odpowiednie byłoby sformułowanie Wymiarowanie pokryć jest determinowane statecznością ; rys. 1.6b, czy względna wytrzymałość właściwa UD_CFRP czy UD_GFRP jest większa; str. 66 błąd literowy jest LPL, a winno być LPF; na str. 85 znajduje się zdanie W przypadku analizy nieliniowej można zastosować metodę kontroli przemieszczenia, siły lub długości łuku., w którym pomieszano sposoby rozwiązywania równań nieliniowych (metoda Newtona-Raphsona i metoda długości łuku ), z wielkością jaka steruje obciążeniem (siła lub przemieszczenie); w podrozdziale 5.3 pojawiają się skróty FIMX1 do FIMX6 i inne, dla ułatwienia analizy zamieszczonych wyników wskazane byłoby przypomnienie, który indeks jakiego warunku dotyczy lub zastosowania oznaczeń, pozwalających intuicyjnie odczytywać warunek np. FIMXT1 (T od tension 1 w kierunku włókien); rys. 5.20b nie dostrzeżono zgodności wyników doświadczalnych z eksperymentalnymi; opis na rys wskazuje na przyjęcie modelu o odmiennej sztywności dla laminatu niż nominalna, przy czym z wcześniejszych opisów wynika, że dotyczy to jedynie redukcji sztywności do 1% lub 50% sztywności nominalnej w przypadku, gdy w danych obszarach przekroczone zostaną naprężenia dopuszczalne lub indeks zniszczenia przyjemnie wartość 1 lub większą. Strona 5 z 6

6 W pracy pojawiają się błędy edycyjne, których przykłady to: str. 14 jest, jednak, że podczas a winno być, jednakże podczas ; w wielu miejscach przed a brakuje przecinków np. str. 15 jest jest 30%-50% większa a wytrzymałość; w tekście pojawiają się zmienne nie oznaczona np. czcionką italic dla odróżnienia od przyimka czy spójnika; nieuprawnione użycie słowa metodologia w odniesieniu do metody czy metodyki; błędy literowe np. modą zamiast mogą lub dobrzej zamiast dobrej. 5. Podsumowanie i wniosek końcowy Lektura rozprawy pozwala stwierdzić, że mgr inż. Krzysztof Puchała poprawnie zdefiniował i rozwiązał problem naukowy, posiada wiedzę i umiejętności korzystania z numerycznych metod mechaniki, a w szczególności z metody elementów skończonych. Autor przedstawionej do oceny rozprawy wykazał, że posiadł umiejętność prowadzenia badań eksperymentalnych i dogłębnej analizy jej wyników. Na podstawie treści zawartych w pracy można stwierdzić, że Doktorant dobrze porusza się w zagadnieniach planowania i przeprowadzania eksperymentu, wyznaczania własności materiałowych nie tylko dla stali, ale również dla kompozytów włóknistych, potrafi budować i walidować przygotowane modele numeryczne. Mgr inż. Krzysztof Puchała sformułował i rozwiązał ważny problem naukowy oraz wykazał się umiejętnością prowadzenia badań naukowych. Mimo przedstawionych uwag krytycznych i potknięć edytorskich uważam, że rozprawa doktorska mgr inż. Krzysztofa Puchały p.t.: Koncepcja i analiza wytrzymałości mechanicznego połączenia metal-kompozyt w strukturze lotniczej spełnia warunki stawiane przez: Ustawę o Stopniach Naukowych i Tytule Naukowym oraz o Stopniach i Tytule w Zakresie Sztuki z dnia 14 marca 2003r z późniejszymi zmianami Rozporządzenie Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego z dnia 30 stycznia 2018 roku i na tej podstawie wnioskuję o jej przyjęcie i dopuszczenie do publicznej obrony. Ponadto, biorąc pod uwagę merytoryczną wartość rozprawy, a w szczególności bardzo dokładny i precyzyjny opis tworzenia modeli numerycznych na podstawie obserwacji próbek przed i po wykonaniu badań oraz wyników przeprowadzonych badań eksperymentalnych rozważam postawienie wniosku o jej wyróżnienie. Swoją ostateczną decyzję uzależniam od odpowiedzi Kandydata na uwagi krytyczne oraz przebieg obrony. Strona 6 z 6