Recenzja 1. Podstawa opracowania 2. Omówienie pracy

Transkrypt

1 dr hab. inż. Jerzy Małachowski, prof. nadzw. WAT Warszawa, r. Wydział Mechaniczny Wojskowa Akademia Techniczna Ul. Gen. Witolda Urbanowicza 2 Tel.: jerzy.malachowski@wat.edu.pl Recenzja rozprawy doktorskiej pt. Application of passive damping systems in blast resistant gates napisanej przez mgra inż. HASAN ALI SULTAN AL-RIFAIE 1. Podstawa opracowania Podstawę opracowania stanowi pismo Dziekana Wydziału Budownictwa i Inżynierii Środowiska Politechniki Poznańskiej prof. dra hab. inż. TOMASZA MROZA, podyktowane decyzją Rady Wydziału z dnia r. i dołączona do niego rozprawa doktorska mgra inż. HASAN ALI SULTAN AL-RIFAIE pt. Application of passive damping systems in blast resistant gates. Promotorem rozprawy jest dr hab. inż. WOJCIECH SUMELKA, prof. Politechniki Poznańskiej, a promotorem pomocniczym dr inż. PIOTR SIELICKI. 2. Omówienie pracy Recenzowana praca została napisana na 173 stronach maszynopisu formatu A4; składa się z 8 rozdziałów oraz wykazu rysunków, tabel, użytych oznaczeń i skrótów oraz spisu literatury. Rozprawa w całości napisana jest w języku angielskim. Spis literatury zawiera 180 pozycji. Tytuły poszczególnych rozdziałów są następujące: (1) Introduction; (2) Fundamentals of blast resistant design; (3) Literature review; (4) Theoretical framework; (5) Blast - induced reaction forces; (6) Virtual design of the gate; (7) Parametric design and application of uniaxial graded auxetic damper; (8) Conclusions. Przedmiot pracy doktorskiej obejmuje szereg zaawansowanych analiz numerycznych dotyczących procesu projektowania bramy odpornej na wybuch, jako jednego z kluczowych elementów infrastruktury krytycznej. Szczególne ważnym elementem jest Strona 1 z 6

2 zaprojektowanie systemu absorpcji energii, który to w znaczący sposób poprawia parametry eksploatacji bram oraz znacznie redukują obciążenia przenoszone na konstrukcję wsporczą. Doktorant w swoich rozważaniach skupił się na wykorzystaniu w pasywnym systemie absorpcji energii wybuchu struktury opartej na oryginalnej koncepcji układu gradientowych struktur auksetycznych. Analiza i badania tego elementu stanowią istotę niniejszej rozprawy doktorskiej. Zaproponowanie w systemie absorbcji energii ww. rozwiązania pozwala uzyskać efekt ujemnego współczynnika Poissona podczas procesu ściskania. Struktury zbudowane z materiałów o auksetycznych geometriach często wykazują nadzwyczajne właściwości (szczególnie w aspekcie podniesienia energochłonności) w stosunku do materiałów o dodatnim współczynniku Poissona. W swoich rozważaniach, mając na względzie aplikację proponowanej struktury gradientowej, Doktorant skupił się na analizie układu konstrukcyjnego stalowej bramy o wymiarach mm wraz z żelbetową konstrukcją wsporczą, który finalnie był poddany działaniu impulsu ciśnienia o wartości 6,6 MPa pochodzącego od detonacji 100 kg TNT z odległości 5 m. Końcowym i oryginalnym osiągnięciem dysertacji jest konstrukcja Jednoosiowego Gradientowego Tłumika Auksetycznego (JGTA). Rozwiązanie to Autor uzyskał w ramach wirtualnego prototypowania z wykorzystaniem komercyjnego kodu numerycznego Abaqus/Explicit. Zaawansowane studium numeryczne przeprowadzone przez Doktoranta wykazało, iż zastosowanie systemu JGTA daje możliwość obniżenia trwałej deformacji konstrukcji ramy (krytycznego parametru związanego z oceną użyteczności bramy po wybuchu). Wykorzystanie zaproponowanego rozwiązania umożliwiło redukcję masy bramy o ponad 50% oraz zmniejszenie o 49% wartości sił reakcji przenoszonych na konstrukcję wsporczą, w porównaniu do układu brama-konstrukcja wsporcza bez systemu absorpcji. Dzięki przeprowadzonym analizom Doktorant wykazał, że energia wewnętrzna w modelu pochodzi głównie z plastycznej dyssypacji, w skład której wchodzi energia dyssypowana przez tłumik JGTA (56%) oraz energia odkształcenia plastycznego elementów bramy (44%). W efekcie Autor dysertacji uzyskał wspominaną znaczącą redukcję masy samej bramy oraz znaczące zmniejszenie się obciążenia przenoszonego na konstrukcję wsporczą. Należy podkreślić, iż w swoich analizach numerycznych Doktorant uwzględnił także skutki wybuchu, które obejmują żelbetową konstrukcję wsporczą. Całość przedstawionej metodyki badawczej w dużej mierze opiera się na licznych symulacjach numerycznych, które w dużej mierze są formą wieloaspektowych badań i analiz ukierunkowanych na wieloparametryczną i wieloetapową ocenę wrażliwości proponowanego na danym etapie rozwiązania konstrukcyjnego. W ten sposób Autor otrzymał finalny układ absorbera energii, który może być wykorzystywany również w innych zastosowaniach inżynierskich, np. jako absorber Strona 2 z 6

3 energii w układzie konstrukcyjnym pojazdu. Na podkreślenie zasługują prowadzone badania symulacyjne, zmierzające do opracowania i sprawdzenia rozwiązania technologicznego, które w dużej mierze wiąże się z podniesieniem bezpieczeństwa osób i chronionego mienia w warunkach np. ataku terrorystycznego. Wyniki swoich badań Autor zawarł w 2 publikacjach (w tym jedna z listy JCR) oraz w materiałach 5 konferencji międzynarodowych. 3. Uwagi krytyczne, pytania merytoryczne oraz dyskusyjne Po zapoznaniu się z treścią całej rozprawy, Recenzent chciałby otrzymać odpowiedzi na następujące kwestie oraz wyraża swoje następujące wątpliwości: 1) Doktorant w swoich rozważaniach dotyczących wartości ciśnienia na froncie fali odbitej używa dwóch wzorów analitycznych pozwalających dokonywać analiz szacunkowych (wzór 2.4 i 2.5 na stronie 9). W opinii Recenzenta brak jest w przedstawionych wyrażeniach elementów opisujących efekt wzmocnienia fali zależny od wartości sztywności ciała (obiektu), na który fala podmuchowa oddziałuje oraz brak jest dyskusji w zakresie zjawiska kilkukrotnego odbijania się fali od napotkanych obiektów i nakładania się fali padającej z odbitą i w konsekwencji powstanie fali Macha. 2) Czym jest przedstawiona przez Doktoranta uzasadniona analiza generowanych wartości nadciśnień w procesie eksplozji dla zakresu ładunków od 100 kg do 2000 kg TNT (tabela 2.1, strona 9), przy których obiekty infrastrukturalne projektowane i eksploatowane w najbliższym otoczeniu i z przeznaczeniem do tzw. cywilnego wykorzystania przy tak dużych masach inicjowanych materiałów wybuchowych uległyby całkowitemu zniszczeniu? Tym bardziej to pytanie staje się zasadne, gdyż w dalszych swoich analizach Autor skupia się na zakresie ładunków TNT do masy 100 kg. 3) Dlaczego Autor, omawiając równanie dynamiczne równowagi (rozdział 4.2.2) w ujęciu metody elementów skończonych, pominął człon związany z uwzględnieniem sił tłumienia. Czy rzeczywiście w rozpatrywanych modelach siły związane z tłumieniem masowym/sztywnościowym nie występowały? 4) W rozdziale 5 dokonano analiz wpływu geometrii globalnej bramy garażowej w zależności od przyjętych 4 rodzajów warunków brzegowych. Jest to typowa analiza wrażliwości, która jednak wyraźnie wykazała, że wartość wyliczonych sił reakcji w węzłach mocowania może zmieniać swoją wartość od wartości dodatniej Strona 3 z 6

4 (ściskanie) do wartości ujemnej (siły rozciągające). W analizach brak jest jednak wartości sił w węzłach, które generują się w wyniku powstałych podciśnień po przejściu fali, co znacząco może zmieniać wartości sił reakcji, a szczególnie efekt przejścia z fazy dodatniej do fazy ujemnej. Celowym w tym przypadku byłoby przeprowadzenie przynajmniej jednej analizy (przypadku) z wykorzystaniem numerycznego ujęcia sprzężeniowego gaz-ciało stałe (analiza z wykorzystaniem dwóch domen) i przeprowadzenie badania rozchodzenia się fali podmuchowej w otoczeniu badanej konstrukcji bramy - szczególnie z uwagi na wspomniane zjawiska odbicia i nakładania się fal, jak też uzyskiwanie efektu wzmocnienia fali (literatura oraz badania własne Recenzenta wskazują, iż wartość wzmocnienia fali odbitej jest w zakresie od 2 do 8 w zależności od geometrii obiektu, na który oddziałuje i jego sztywności). W związku z powyższym ten rodzaj analiz powinien znaleźć swoje odzwierciedlenie w badaniach Doktoranta nad projektowaniem absorbera auksetycznego, który swoją funkcję powinien spełniać nie tylko w zakresie sił ściskających. 5) Efekt występowania sił reakcji w węzłach mocowania bramy o wartościach ujemnych generowanych tylko na skutek sił bezwładności wykazał sam Autor w rozdziale 6.5. Ten fakt jednak w fazie dalszego projektowania auksetycznego absorbera nie został przez Doktoranta wzięty pod uwagę. 6) Recenzent uważa, że pewnym zbyt mocnym wnioskiem (stwierdzeniem), jest zapis Based on the parametric study conducted in Section 7.2, optimum cell dimensions, cell angle, number of layers and material were selected., gdyż przeprowadzone badania numeryczne (wirtualne) nie obejmowały na żadnym z etapów zaawansowanych wielokryterialnych analiz optymalizacyjnych na wypracowanych modelach zarówno deterministycznych, jak też i opracowanych modelach parametrycznych. Wszystkie przedstawione przez Doktoranta analizy wpisują się w badania wrażliwości projektowanej konstrukcji bramy na wybrane dyskretne parametry dotyczące samych wymuszeń, jak też i przyjętych zmiennych parametrów geometrycznych. 7) W swoich rozważaniach dotyczących mechanizmu dyssypacji energii zaprojektowanego auksetyka Autor w dużej mierze skupia się na wyznaczeniu energii wewnętrznej w oparciu o wartości odkształcenia plastycznego w układzie 3 warstw absorbera. Brak jest jednak dyskusji dotyczącej innych mechanizmów dyssypacyjnych (np. wskutek powstania sił tarcia w ramach realizowanego numerycznie zagadnienia kontaktu), czy też mechanizmów niszczenia. Strona 4 z 6

5 8) W zaproponowanych formułach dotyczących wyznaczenia dynamic crushing strength nie ma członu uwzględniającego efekt wzmocnienia wiskotycznego materiału po przejściu fali odkształcenia (wzór 7.10, strona 119). Autor tego nie komentuje; stwierdza jedynie fakt bardzo dużej zgodności obliczeń analitycznych z numerycznymi, w których to zjawisko jest uwzględnione w przyjętych modelach konstytutywnych, tzw. strain rate effect w modelu Johnson-Cooka (wzór 5.1). 9) Czy nie byłoby bardziej celowym opracować najpierw globalny model parametryczny badanego zagadnienia ujmujący całościowo szereg z przedstawionych etapowych analiz definiując warunki/kryteria, które model ma spełnić, a następnie przejść do wypracowania rozwiązań o charakterze lokalnym z zastosowaniem ich procesu wieloparametrycznej optymalizacji? To jest taka wątpliwość Recenzenta, który dzieli się nią z Autorem dysertacji i chciałby usłyszeć w tej kwestii Jego stanowisko. 4. Ocena końcowa przedłożonej rozprawy Przedstawiona do recenzji rozprawa doktorska charakteryzuje się ważnym aspektem aplikacyjnym i wskazuje na uzasadnioną potrzebę badań w przedmiotowym zagadnieniu. Jest to potwierdzone przez Doktoranta przeprowadzonym studium bibliografii, które wyraźnie wykazało, że tematyka rozprawy jest jak najbardziej aktualna i utylitarna, szczególnie w aspekcie projektowania konstrukcji służących poprawie bezpieczeństwa. Omawianą rozprawę cechuje także szereg walorów poznawczych, co stanowić może bardzo duży wkład do procedur projektowania konstrukcji bram garażowych odpornych na działania o charakterze terrorystycznym. Bardzo ważnym walorem niniejszej rozprawy jest także wskazanie potrzeby wykorzystania najnowszych norm w zakresie bezpieczeństwa projektowanych obiektów infrastrukturalnych oraz zaawansowanych hydrokodów numerycznych przeznaczonych do analiz dynamicznych opisujących odziaływanie falą podmuchową na badane obiekty. Na bardzo dobrą wartość naukową rozprawy składają się następujące elementy: 1) wdrożenie autorskiego algorytmu programu projektowania rozważanej konstrukcji bramy w warunkach oddziaływań impulsowych, 2) implementacja najbardziej zaawansowanych modeli konstytutywnych w zakresie opisu zachowania się materiałów z uwzględnieniem zachodzących w nich efektów wiskotycznych, Strona 5 z 6

6 3) zaproponowanie oryginalnego osiągnięcia, którym w tej rozprawie jest konstrukcja Jednoosiowego Gradientowego Tłumika Auksetycznego (JGTA). Równocześnie Recenzent pragnie zauważyć, iż poddana recenzji rozprawa powstała w całości w oparciu o wyniki analiz numerycznych, które tylko na wybranych etapach były weryfikowane z dostępnymi rozwiązaniami analitycznymi. Jest to niewątpliwie trend obserwowany obecnie, lecz nie powinno to zwalniać badaczy od poszukiwania choćby częściowej walidacji przyjętych modeli i otrzymanych wyników na bazie rezultatów testów eksperymentalnych. Jest to z pewnością jeden z aspektów procesu badawczego, który mocno uwiarygadnia analizy modelowe oraz daje przekonanie co do ich słuszności. Dodatkowym atutem jest też fakt zdobycia szeregu nowych doświadczeń i motywacji do bardziej dogłębnych analiz i poszukiwań sedna badanej problematyki. Należy podkreślić, że Doktorant wykonał pracę doktorską na bardzo wysokim poziomie edytorskim. 5. Wniosek końcowy Recenzent stwierdza, że przedstawiona dysertacja doktorska spełnia wymagania stawiane pracom doktorskim przez ustawę O stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U. Nr 65, poz. 595, z dnia 14 marca 2003 roku, z późn. zm.) i stawia wniosek o dopuszczenie do publicznej obrony rozprawy doktorskiej mgra inż. HASAN ALI SULTAN AL-RIFAIE. Strona 6 z 6