Recenzja pracy doktorskiej

Transkrypt

1 Prof. dr hab. inż. Marian Klasztorny Wojskowa Akademia Techniczna Wydział Mechaniczny Warszawa, r. Recenzja pracy doktorskiej 1. Uwagi formalne Recenzję opracowano w związku ze zleceniem Dziekana Wydziału Mechanicznego WAT, dr. hab. inż. Jerzego Małachowskiego, prof. WAT. Recenzent otrzymał pracę doktorską por. mgr inż. Piotra Kędzierskiego, pt. Metoda modelowania numerycznego tekstyliów balistycznych obciążanych udarowo w zastosowaniu do projektowania kamizelek kuloodpornych, oraz wykaz publikacji Kandydata. 2. Zawartość rozprawy doktorskiej Cele pracy są następujące: 1) opracowanie nowej metody modelowania numerycznego i symulacji balistyki końcowej układu pocisk pistoletowy pakiet wielowarstwowy balistyczny podłoże balistyczne, przy wykorzystaniu odpowiednio dobranych testów eksperymentalnych i zastosowaniu oprogramowania LS-Dyna, LS-PrePost, LS-Opt i in.; 2) wybór modelu materiałowego i badania eksperymentalno-numeryczne tekstyliów balistycznych; 3) opracowanie i walidacja modeli numerycznych, w tym modeli materiałowych, plasteliny balistycznej ROMA No.1 oraz pocisku 9 mm Parabellum; 4) próby eksperymentalne i symulacje numeryczne (walidacja i weryfikacja) balistyki końcowej wybranych układów pocisk pistoletowy pakiet wielowarstwowy balistyczny podłoże balistyczne. W pakiecie wielowarstwowym mogą być zastosowane wybrane materiały na miękkie wkłady balistyczne do kamizelek kuloodpornych, tj. tkaniny o splocie prostym, laminaty wielokierunkowe zszywane, struktury pośrednie, filce oraz kompozyty sztywne. Na postawie literatury, opracowano zestaw testów eksperymentalnych pozwalających na identyfikację właściwości mechanicznych tekstyliów balistycznych zastosowanych do modelowania procesu penetracji wkładu miękkiego oraz tworzenia wgłębienia w podłożu balistycznym. Opracowaną metodę zilustrowano na przykładzie wkładów balistycznych wykonanych z tkaniny aramidowej o splocie prostym TWARON CT 709 oraz laminatu polietylenowego wielokierunkowego DYNEEMA SB 71 (po trzy warianty dla wymienionych materiałów, różniące się liczbą warstw). Wyniki symulacji procesu uderzenia pocisku 9 mm Parabellum w pakiety wielowarstwowe na podłożu balistycznym porównano z wynikami eksperymentalnymi, przyjmując następujące wielkości weryfikacyjne: liczba przebitych warstw, liczba uszkodzonych warstw, wgłębienie w podłożu balistycznym, kształt sygnatury pocisku w podłożu, kształt zdeformowanego pocisku. Recenzowana praca została napisana na 158 stronach maszynopisu, składa się z 10 rozdziałów i spisu literatury. Część przeglądowa zawiera 145 wzorów, 41 rysunków i 7 tabel. Część merytoryczna zawiera 39 wzorów, 63 rysunki, 22 tabele. Spis literatury zawiera 108 pozycji. 1

2 W rozdziale 1 opisano ogólnie wkłady balistyczne w kamizelkach kuloodpornych. Rozdział 2 zawiera przegląd literatury w zakresie klasyfikacji tekstyliów stosowanych na miękkie wkłady balistyczne do kamizelek kuloodpornych oraz w zakresie dotychczasowych metod modelowania numerycznego tekstyliów balistycznych. Opisano model makroskopowe, mezoskopowe, mikroskopowe i hybrydowe. Wykazano, że dotychczas sztywność giętną tekstyliów uwzględniano w sposób prowadzący do przesztywnienia modeli numerycznych. Również modelowanie sztywności postaciowej tkanin nie jest zgodne z wynikami eksperymentalnymi, że względu na przyjmowanie stałej wartości tej sztywności. W rozdziale 3 sformułowano jeden cel pracy oraz zestawiono zagadnienia sformułowane i rozwiązane w pracy. W rozdziale 4 Kandydat opisał zastosowane w pracy metody i narzędzia badawcze opracowane przez innych badaczy, w tym: metodę elementów skończonych, klepsydrowanie i pseudolepkość, metodę różnic centralnych całkowania jawnego równań ruchu, metodę Newtona całkowania niejawnego równań ruchu, modelowanie kontaktu, opis metod ALE i SPH, przebudowę siatki elementów skończonych i metody optymalizacji. Rozdział ten opracowano na podstawie dostępnej literatury. Rozdział 5 zawiera sformułowanie oryginalnej metody modelowania tekstyliów balistycznych z uwzględnieniem dokładnych wartości sztywności osiowej, giętnej, postaciowej w płaszczyźnie warstwy i postaciowej poprzecznej do warstwy. W rozdziale 6 opisano opracowane modele numeryczne dwóch typowych wkładów balistycznych wykonanych z tkaniny aramidowej o splocie prostym TWARON CT 709 oraz laminatu polietylenowego wielokierunkowego zszywanego DYNEEMA SB 71. Rozdział 7 zawiera uzupełniający przegląd literatury w zakresie modelowania podłoża balistycznego, opis opracowanego modelu numerycznego podłoża balistycznego z plasteliny ROMA No. 1oraz walidację eksperymentalną modelowania podłoża. Do walidacji zastosowano normowy test spadku swobodnego kuli stalowej o średnicy 63,5 mm. Rozdział 8 zawiera opis konstrukcji pocisku 9 mm Parabellum, opis opracowanego modelu numerycznego pocisku oraz walidację eksperymentalną modelowania pocisku. Do walidacji zastosowano test uderzenia w płytę ze stali Armox 500T o grubości 10 mm. W rozdziale 9 zawarto opis i wyniki badań eksperymentalnych balistyki końcowej układu pocisk pistoletowy pakiet wielowarstwowy podłoże balistyczne, opis opracowanego modelu numerycznego typowych wkładów balistycznych oraz analizę wyników symulacji i ich porównanie z wynikami eksperymentalnymi. Rozdział 10 zawiera podsumowanie i wnioski z przeprowadzonych badań numeryczno-eksperymentalnych. 3. Uwagi merytoryczne i redakcyjne do rozprawy doktorskiej Uwagi merytoryczne Str. 19: W systemie LS-Dyna stałe Poissona materiału ortotropowego spełniają warunek: E ij i E ji j, i, j 1,2,3, i j, (R.1) a więc ij stała Poissona określająca przewężenie w kierunku j przy rozciąganiu w kierunku i. Opis użyty na str. 19 i w całej pracy ij stała Poissona w kierunku i oraz j nie jest właściwy. Ponadto, wzór (2.1) nie odpowiada standardowej definicji (R.1). 2

3 Str. 35 Sformułowanie jednego celu pracy nie odwzorowuje w całości treści pracy, ponieważ cel pracy jest pierwszym zagadnieniem na liście zagadnień objętych pracą. W większości prac doktorskich w rozdziale Cel i zakres pracy zamieszcza się także opis zakresu badań w poszczególnych rozdziałach. Str. 74: Określenie pełnowymiarowych w tym kontekście nie jest jasne. Str. 75: Wyznaczanie jednoczesne wielu stałych materiałowych w jednym teście metodami optymalizacyjnymi nie jest podejściem zbyt trafnym, gdyż możliwe jest minimum dla układu wartości stałych znacznie odbiegających od wartości poprawnych. Test swobodnego zginania paska mógłby być przeprowadzony oddzielnie dla zginania w płaszczyźnie AC (wyznaczenie EA1, GCA1) i w płaszczyźnie BC (wyznaczenie EB1, GCB1), dla dwóch długości, z zastosowaniem wzorów klasycznej wytrzymałości materiałów zginania belek. Rozwiązanie w każdej płaszczyźnie jest wówczas jednoznaczne. Również testy statycznego przebijania i zgniatania zawierają zbyt dużo stałych do jednoczesnego wyznaczenia i powinny być zmodyfikowane lub uzupełnione o inne testy. Np. wytrzymałość na rozciąganie XT2 powinna być wyznaczana z testu jednokierunkowego rozciągania paska tkaniny z uchwytami kabestanowymi, a nie z testu przebijania. Str. 76: Model materiałowy 58 tkaniny jest modelem nieliniowo sprężystym. W rozpatrywanym zagadnieniu jest poprawny, ponieważ obciążenie pakietu tkanin narasta monotonicznie w czasie. Model ten nie jest poprawny w przypadku narastania obciążenia do dużych wartości i zmniejszania obciążenia, ponieważ powrót po krzywej naprężenie-odkształcenie nie odwzorowuje procesu w materiale zdegradowanym. Tego komentarza brakuje w pracy. Str. 79, 80: Wzory ( ) są zaczerpnięte z literatury, ale nie podano pozycji literatury, ani nie podano interpretacji wzorów nieoczywistych (5.14, 5.16, 5.19, 5.20). Str. 84: Określenie gęstość jest dzielona równomiernie na obie warstwy nie jest poprawne merytorycznie. Str. 87 i następne: Autor pisze, że cyt. Ustalenie wartości poszukiwanych parametrów odbywa się na drodze kalibracji modelu numerycznego, mając na myśli procedurę optymalizacyjną. Jednak w żadnym przypadku nie opisał przygotowania i przebiegu procedury optymalizacyjnej, w tym m.in. ograniczenia nałożone na parametry, przyrosty parametrów, liczba iteracji. Str. 88: Stanowisko do przebijania tkaniny jest dość złożone. Autor nie napisał, czy sam je zaprojektował (bez obliczeń?), czy wzorował się na rozwiązaniach literaturowych. Obciążenie nie jest punktowe (jak napisano w linii 1g), tylko na małej powierzchni kołowej płaskiej lub wyokrąglonej. Str. 95: Określenie zredukowano moduł Younga nie jest jasne. Str. 97: Nie uzasadniono wartości 610 MPa i 670 MPa. 3

4 Str. 99: Zerowe wartości odkształceń niszczących wymagają interpretacji. Str. 100: Zerowa wartość odkształcenia E11T wymaga wyjaśnienia. Str. 106: Właściwe byłoby podanie, które wartości są dafaultowe. Brakuje uzasadnienia dla zerowej wartości PRBA. Str. 107: Brakuje uzasadnienia zerowej wartości E22T. Str. 147: Stwierdzenie może być łatwo rozbudowana o ten efekt wymaga opisu proponowanej rozbudowy. Str. 148: Wniosek, że metoda może być stosowana do modelowania większości tekstyliów jest zbyt daleko idący. Niektóre materiały mogą zachowywać się inaczej niż dwa materiały zbadane eksperymentalnie i numerycznie w pracy. W całej pracy: Nie podano informacji nt. czasu CPU poszczególnych symulacji. Uwagi redakcyjne Tytuł rozprawy: Zdaniem recenzenta określenie obciążanych nie jest trafne. Właściwym określeniem jest obciążonych. W pracy Autor używa tych określeń zamiennie, a w pierwszym zdaniu w Podsumowaniu (str. 147) użył określenia obciążonych. Str. 5: W Wykazie oznaczeń użyto wieloliterowych nazw własnych z systemu LS-Dyna, np. DNSCL, ERODS. Nie jest to trafne podejście, zwłaszcza gdy takich zmiennych używa się we wzorach. Właściwe byłoby przyjęcie własnych jednoliterowych oznaczeń z podaniem w opisie nazw własnych z systemu LS-Dyna. Str. 5: Określenie zadane na brzegu nie jest właściwe. Właściwe jest usunięcie słowa zadane. Spolszczenie słowa residuum do formy rezyduum nie jest właściwe. Str. 20: W linii 3d brak myślnika. Str. 29, 32 i in.: Określenie zamodelowano nie jest właściwe. Lepiej używać określenia modelowano. Str. 77: We wzorach brakuje interpunkcji. Str. 80: We wzorze (5.20) powinno być E11T. 4

5 Str. 87: Określenie obniżenie się powinno być zastąpione słowem zmniejszenie. Str. 91: W linii 3d powinno być wartości. Str. 94 i dalsze: W podpisach rysunków powinno być w przypadku zamiast dla. Str. 97: Słowo mody powinno być zastąpione słowem formy lub postacie. Str. 99 i dalsze: Zerowe wartości odkształceń niszczących przy rozciąganiu wymagają wyjaśnienia. Zapis 1e+20 powinien być zastąpiony zapisem Str. 101: Określenie zdecydowanej nie jest trafne (linia 3d). Str. 127 i dalsze: Określenie ugięcie podłoża nie jest trafne, bo podłoże nie jest zginane. Lepiej użyć wgłębienie podłoża. Str. 148: Określenie subtelnych nie jest trafne. Str. 112 i dalsze: Określenie chwile czasu nie jest poprawne. Można napisać punkty czasowe. Określenie od momentu uderzenia również nie jest poprawne. Można użyć od chwili uderzenia. Określenie odtworzone lepiej zastąpić słowem utworzone. Str. 115: Autor używa zamiennie 9 mm oraz 9x19 mm. Wskazany byłby komentarz. Str. 120 i dalsze: Jaki jest cel dodatkowych ramek typu papier milimetrowy wokół rysunków? Str. 125: Powinno być wartość, a nie wielkość (linia 5g). Nieliczne braki przecinków: strona/linia: 14/2d, 16/5d, 20/4g, 22/2g, 22/6g, 34/7d, 35/5g, 90/6g, 95/1d, 103/6d, 124/13g, 125/7d W całej pracy: Przy wymienianiu słowo to powinno być zastąpione orzeczeniem jest lub są. Autor używa zamiennie określeń szybkość odkształceń, szybkość odkształcenia. Właściwym określeniem jest szybkość odkształcenia. Autor używa zamiennie określeń podwojone elementy skończone, podwójne elementy skończone. Obydwa określenia nie są w opinii recenzenta trafne. Lepiej byłoby wprowadzić dwie grupy przenikających się elementów skończonych nałożonych na wspólną siatkę węzłów i operować grupą elementów membranowych i grupą elementów powłokowych. 5

6 4. Ocena rozprawy Autor opracował oryginalną metodę modelowania numerycznego i symulacji balistyki końcowej układu pocisk pistoletowy pakiet wielowarstwowy balistyczny podłoże balistyczne. Głównym elementem oryginalnym tej metody jest 4-węzłowy hybrydowy element skończony, będący układem elementu skończonego membranowego i elementu skończonego powłokowego, ze wspólnymi węzłami oraz z różnymi stałymi materiałowymi. Element hybrydowy pozwala na uniezależnienie sztywności giętnej i postaciowej poprzecznej od sztywności osiowej i postaciowej membranowej tekstyliów balistycznych. Opracowany model uwzględnia wszystkie właściwości mechaniczne decydujące o odporności wkładu balistycznego na przebicie oraz na uraz tępy. Ponadto, w elemencie hybrydowym dokonano podziału masy tkaniny tak, aby wyeliminować problemy numeryczne związane z całkowaniem równań ruchu. Kandydat dokonał trafnego wyboru zaawansowanych modeli materiałowych komponentów układu, tj. warstw tekstyliów balistycznych, części pocisku 9 mm Parabellum oraz plasteliny balistycznej ROMA No. 1. Dla warstw wkładów balistycznych Kandydat przyjął model ortotropowy sprężysty z nieliniowym rozwojem uszkodzeń i kryterium niszczenia Hashina. Dla rdzenia i płaszcza pocisku Kandydat przyjął zmodyfikowany model Johnsona Cooka. Zgodnie z eksperymentem Kandydat przyjął, że materiał rdzenia nie ulega zniszczeniu. Dla płaszcza pocisku przyjął kryterium niszczenia Cockcrofta Lathama. Dla podłoża balistycznego Kandydat przyjął model Johnsona Cooka z uwzględnieniem tylko szybkości odkształcenia według opisu Allena Rule a Jonesa oraz wielomianowe równanie stanu. Kandydat przeprowadził zaawansowane modelowanie numeryczne i symulację eksperymentalnych testów walidacyjnych trzech typów: 1) spadek swobodny kuli stalowej o średnicy 63,5 mm na pojemnik z plasteliną balistyczną; 2) balistyka końcowa pocisku 9 mm Parabellum przy uderzeniu w płytę stalową Armox 500T o grubości 10 mm; 3) balistyka końcowa wybranych układów pocisk pistoletowy pakiet wielowarstwowy balistyczny podłoże balistyczne. Kandydat opracował zestaw testów eksperymentalnych pozwalających na identyfikację właściwości mechanicznych tekstyliów balistycznych do modelowania procesu penetracji wkładu miękkiego przez pocisk oraz procesu tworzenia sygnatury w podłożu balistycznym, tj.: 1) zgniatanie pakietu warstw, 2) przebijanie statyczne pojedynczej warstwy, 3) zginanie swobodne paska warstwy, 4) rozciąganie paska warstwy. Próba zgniatania pakietu tekstyliów balistycznych i algorytm wyznaczania parametrów kontaktu nieliniowego w systemie LS-Dyna są w całości oryginalne. W rozdziale 4 pt. Opis stosowanych metod i narzędzi badawczych Kandydat wykazał się obszerną zaawansowaną wiedzą nt. metody elementów skończonych, klepsydrowania i pseudolepkości, metody różnic centralnych całkowania jawnego równań ruchu, metody Newtona całkowania niejawnego równań ruchu, modelowania kontaktu, metod ALE i SPH, przebudowy siatki elementów skończonych i metod optymalizacji. Rozdział ten jest napisany na wysokim poziomie merytorycznym i bazuje na sformułowaniach literaturowych. Wyniki walidacji eksperymentalnej modelowania i symulacji balistyki końcowej przykładowych układów pocisk pistoletowy pakiet wielowarstwowy balistyczny podłoże balistyczne recenzent ocenia jako dobre i wystarczające do sprawdzenia warunków normowych w projektowaniu miękkich wkładów balistycznych do kamizelek kuloodpornych. Opracowany algorytm eksperymental- 6

7 no-numeryczny modelowania i symulacji balistyki końcowej ww. układów recenzent ocenia jako wysoko zaawansowany, oryginalny w skali światowej. 5. Podsumowanie oceny rozprawy Opracowana metoda modelowania numerycznego i symulacji balistyki końcowej układów pocisk pistoletowy pakiet wielowarstwowy balistyczny podłoże balistyczne oraz testy walidacyjne i wyniki symulacji stanową oryginalny znaczący wkład do dyscypliny Mechanika. Kandydat osiągnął założone cele pracy i udowodnił poprawność opracowanej metody modelowania i symulacji balistyki końcowej ww. układów. Metody badawcze zastosowane w pracy zostały jasno opisane i trafnie dobrane. Badania naukowe objęte rozprawą są aktualne i odpowiednie w kontekście stanu wiedzy w projektowaniu i obliczeniach numerycznych balistyki końcowej ww. układów. Wyniki badań zostały opublikowane przez Kandydata w licznych publikacjach z listy A i B MNiSW. 6. Wniosek końcowy W ocenie recenzenta, rozprawa doktorska por. mgr. inż. Piotra Kędzierskiego spełnia wymagania Ustawy z dnia r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki z późniejszymi zmianami i może stanowić podstawę do ubiegania się o stopień naukowy doktora nauk technicznych w dyscyplinie Mechanika. Biorąc pod uwagę wysoki poziom merytoryczny rozprawy, wyróżniającą się redakcję rozprawy i znaczący wkład Kandydata do dyscypliny Mechanika, recenzent stawia wniosek o wyróżnienie pracy doktorskiej por. mgr. inż. Piotra Kędzierskiego. prof. M. Klasztorny 7