Composite Material Damage Processes

Composite materials are in use in the shipbuilding industry for a long period of time. Composites appear in vast number of fibre – matrix combinations and can be produced with several different production processes. Due to the specific nature of the composite material structure, the selection of the production process and the limitations in the quality control procedures, composite materials will always be subject to defects and imperfections which may, under certain circumstances, lead to the appearance and propagation of cracks. The size and the shape of the crack, the load type and the stress field in the material surrounding the crack will be crucial for crack growth and crack propagation. This paper reviews the composite material damage processes especially relevant for shipbuilding. The basic principles of composite material fracture mechanics are briefly explained, and finally, mechanisms responsible for the development of damage and fracture of composite materials are presented. This paper has emerged from the need to summarize information about composite material fracture and failure mechanisms and modes relevant for the shipbuilding industry

MONOTONIC BEHAVIOUR OF NORMALISED AND QUENCHED AND TEMPERED STEEL 42CrMo4

U radu je predstavljeno na eksperimentu zasnovano utvrđivanje ponašanja normaliziranoga i poboljšanoga niskolegiranog čelika 42CrMo4 (AISI4140) izloženog djelovanju monotonoga aksijalnog vlačnog opterećenja te njegova karakterizacija putem odgovarajućih monotonih parametara. Eksperimenti su izvođeni na ispitnim tijelima standardnog oblika i dimenzija uz korištenje servohidrauličkog stroja pri sobnoj temperaturi. Analizirano je i uspoređeno ponašanje materijala različitih tvrdoća. Određene su vrijednosti osnovnih monotonih parametara materijala te je utvrđena i jednostavnim izrazima okarakterizirana veza između vrijednosti granice tečenja i lomne čvrstoće te temperature popuštanja odnosno postignute tvrdoće materijala.The presented work is concerned primarily with experimental determination of the behaviour of normalised and quenched and tempered low-alloy steel 42CrMo4 (AISI4140) subjected to monotonic uniaxial tensile loading and determination of its monotonic parameters. Experiments were performed on standard specimens using a servo-hydraulic testing machine at room temperature. The behaviours of materials with differing hardnesses were analyzed and compared. After determination of principal monotonic parameters values, correlation was confirmed to exist between tempering temperature, i.e. achieved materials’ hardness, and the monotonic yield strength as well as the ultimate strength. Simple expressions are proposed for fast estimation of cited monotonic properties from hardness

CRITICAL POSITION OF HCR GEAR\u27S TEETH WITH REGARD TO PITCH ERROR

Iako su vrlo osjetljivi na nepravilnosti nastale u proizvodnji, zupčanici s velikim stupnjem prekrivanja profila (HCR, engl. high transverse contact ratio) u sve su češćoj upotrebi zbog povećane nosivosti u odnosu na zupčanike s niskim stupnjem prekrivanja profila. Procedura izračuna raspodjele sile na parove zuba u istodobnom zahvatu izvedena za HCR zupčanike s odstupanjem koraka na zahvatnoj crti bitno ovisi o položaju parova zuba u zahvatu s obzirom na vrijednosti odstupanja. Kritični položaj parova zuba u zahvatu koji izaziva najveći porast naprezanja u odnosu na naprezanja geometrijski točnih zupčanika, definiran je u ovom radu.High transverse contact ratio (HCR) gears are more frequently in use because of their increased load-carrying capacity compared to low contact ratio gears, although they are very sensitive to manufacturing errors. The calculation procedure of load distribution, established for HCR gears with pitch errors, depends on the position of tooth pairs, with regard to pitch error. The critical position of tooth pairs, which causes the maximum stress increase, compared to geometrically ideal gears, is defined in this paper

Rolling-sliding-contact fatigue damage of the gear tooth flanks

Bokovi zuba evolventnih zupčanika izloženi su tijekom zahvata cikličkom djelovanju kontaktnih pritisaka te kombinaciji kotrljanja i klizanja. Spomenuto opterećenje može izazvati specifičnu vrstu zamora materijala koja se naziva kotrljajno-klizno-kontaktni zamor. U radu su opisane faze procesa zamaranja materijala izloženog djelovanju cikličkih opterećenja. Klasificirana su zamorna oštećenja boka zuba zupčanika te su za svaku vrstu navedeni njezini uzroci i značajke. Navedene informacije mogu poslužiti kao pomoć pri sprečavanju ili naknadnoj identifikaciji i uklanjanju problema sa zamornim oštećenjima zupčanika u prijenosnicima snage.During the meshing of involute gears, their teeth flanks are subjected to cyclic contact pressure loading and simultaneous rolling and sliding. The mentioned loading can induce a specific type of material fatigue that is commonly denoted as rolling-sliding-contact fatigue. In this work, individual phases of fatigue occurring due to the cyclic loading are described. Furthermore, different types of fatigue damage of gear teeth flanks are classified and for each type, its causes and features are given. The information presented can be used for prevention or subsequent identification and remedial action in the case of fatigue damage of gears in power transmissions

Plan upravljanja istraživačkim podacima projekta MADEIRA

Modeliranje ponašanja materijala ključan je dio suvremenog razvoja proizvoda te računalnih simulacija koje se provode u cilju čim boljeg iskorištenja materijala i smanjenja mase i troškova. Za uspješno modeliranje ponašanja materijala nužno je poznavanje njegovih značajki i parametara ponašanja. Njihovo eksperimentalno određivanje je najtočnije, ali je dugotrajno i skupo te se stoga nastoji izvoditi u najmanjoj mogućoj mjeri. Projektom MADEIRA cilja se na rješavanje nedostatka podataka o ponašanju materijala potrebnih za numeričke proračune i simulacije koji otežava šire prihvaćanje modeliranja materijala te uključivanje naprednih materijalnih modela u suvremeni proces razvoja proizvoda. Predloženo istraživanje usmjereno je razvoju modela za procjenu ponašanja i parametara materijala temeljenih na strojnom učenju kao rješenja za navedene probleme. Na osnovi prikupljenih rezultata istraživanja materijala i rezultata provedenih eksperimenata, sustavno će se istražiti, identificirati i mapirati kompleksni odnosi između svojstava/značajki materijala i njegovog mehaničkog ponašanja i pripadnih parametara na različitim razinama. Unaprijedit će se postojeći i razviti novi modeli procjene naprednih monotonih, cikličkih i zamornih parametara materijala te matematički modeli termalnih postupaka prerade metala i modeliranja njihovih mehaničkih svojstava nakon toplinske obrade. Istražit će se primjenjivost raznih metoda strojnog učenja te mogućnosti procjene parametara i naprednih konstitutivnih materijalnih modela koji se zbog kompleksnosti i velikog broja potrebnih parametara otežano i rijetko primjenjuju u praksi. Razvijene baze podataka i prediktivni modeli trebali bi doprinijeti široj primjeni modeliranja ponašanja materijala i računalnih simulacija, a uspostavljen metodološki okvir i principi primjene strojnog učenja mogli bi biti korisni i primjenjivi za razvoj prediktivnih modela i u drugim područjima primjene i istraživanja materijala

Plan upravljanja istraživačkim podacima projekta MADEIRA

Modeliranje ponašanja materijala ključan je dio suvremenog razvoja proizvoda te računalnih simulacija koje se provode u cilju čim boljeg iskorištenja materijala i smanjenja mase i troškova. Za uspješno modeliranje ponašanja materijala nužno je poznavanje njegovih značajki i parametara ponašanja. Njihovo eksperimentalno određivanje je najtočnije, ali je dugotrajno i skupo te se stoga nastoji izvoditi u najmanjoj mogućoj mjeri. Projektom MADEIRA cilja se na rješavanje nedostatka podataka o ponašanju materijala potrebnih za numeričke proračune i simulacije koji otežava šire prihvaćanje modeliranja materijala te uključivanje naprednih materijalnih modela u suvremeni proces razvoja proizvoda. Predloženo istraživanje usmjereno je razvoju modela za procjenu ponašanja i parametara materijala temeljenih na strojnom učenju kao rješenja za navedene probleme. Na osnovi prikupljenih rezultata istraživanja materijala i rezultata provedenih eksperimenata, sustavno će se istražiti, identificirati i mapirati kompleksni odnosi između svojstava/značajki materijala i njegovog mehaničkog ponašanja i pripadnih parametara na različitim razinama. Unaprijedit će se postojeći i razviti novi modeli procjene naprednih monotonih, cikličkih i zamornih parametara materijala te matematički modeli termalnih postupaka prerade metala i modeliranja njihovih mehaničkih svojstava nakon toplinske obrade. Istražit će se primjenjivost raznih metoda strojnog učenja te mogućnosti procjene parametara i naprednih konstitutivnih materijalnih modela koji se zbog kompleksnosti i velikog broja potrebnih parametara otežano i rijetko primjenjuju u praksi. Razvijene baze podataka i prediktivni modeli trebali bi doprinijeti široj primjeni modeliranja ponašanja materijala i računalnih simulacija, a uspostavljen metodološki okvir i principi primjene strojnog učenja mogli bi biti korisni i primjenjivi za razvoj prediktivnih modela i u drugim područjima primjene i istraživanja materijala

Zamor i oštećenje materijala boka zuba zupčanika : doktorska disertacija

U ovoj doktorskoj disertaciji razmatrano je oštećivanje boka zuba zupčanika izazvano zamorom materijala. Razvijen je proračunski postupak koji omogućuje proračunavanje broja izmjena opterećenja do pojave pukotina na boku zuba, identificiranje mjesta na kojima se njihova pojava može najprije očekivati te predviđanje orijentacije i oblika pukotina u početnoj fazi njihovog rasta odnosno vrste oštećenja boka do kojeg bi mogle dovesti. Za proračunavanje vremena do inicijacije pukotina primijenjena je kombinacija pristupa temeljenog na deformaciji i Fatemi-Socievog kriterija inicijacije pukotine temeljenog na principu kritične ravnine. Izrađen je matematički model zahvata zuba zupčanika kojim se proračunava evolucija komponenata naprezanja i deformacija materijala boka zuba tijekom zahvata. Predložen je i novi pristup procjenjivanju zamornih parametara materijala na osnovi njegovih monotonih parametara, čijom su primjenom razvijeni izrazi za proračunavanje Basquin-Coffin-Mansonovih parametara zamora čelika 42CrMo4 isključivo na osnovi njegove tvrdoće. Cjelokupni proračunski postupak implementiran je u program za osobno računalo, čime je omogućeno brzo i detaljno predviđanje trajnosti bokova zuba zupčaničkih parova različitih geometrija i materijala pri različitim uvjetima zahvata. Proračunata vremena do pojave pukotina mogu poslužiti kao osnova za provjeru ispravnosti odabira materijala zupčanika, kao i ispravnosti profila tvrdoće ostvarenog u površinskom sloju materijala boka zuba nakon toplinske obrade.This dissertation deals with fatigue-induced damage of gear tooth flank. The developed calculation procedure enables calculation of number of load reversals to fatigue crack initiation, identification of the area on the tooth flank where cracks will first appear as well as a prediction of orientation i.e. the shape of initiated cracks and type of damage they will most probably develop into. To determine crack initiation time, strain-based approach was combined with critical plane based Fatemi-Socie crack initiation criterion. A mathematical model of gear teeth flanks in mesh was developed to calculate the evolution of stress and strain components during the mesh. Furthermore, a novel approach is proposed for the estimation of material fatigue parameters from its monotonic properties and also expressions are given for the calculation of Basquin-Coffin-Manson fatigue parameters for steel 42CrMo4 from its hardness. The entire calculation procedure was implemented in a computer program which enables fast and detailed prediction of tooth flank lifetime for gear pairs with different geometries, made of different materials and operating under different working conditions. Numbers of load reversals to the crack initiation calculated in such a manner can serve as a basis for the verification of the adequacy of the chosen gear material, as well as that of the hardness profile achieved in the surface layer of the tooth flank after heat treatment

Zamor i oštećenje materijala boka zuba zupčanika : doktorska disertacija

U ovoj doktorskoj disertaciji razmatrano je oštećivanje boka zuba zupčanika izazvano zamorom materijala. Razvijen je proračunski postupak koji omogućuje proračunavanje broja izmjena opterećenja do pojave pukotina na boku zuba, identificiranje mjesta na kojima se njihova pojava može najprije očekivati te predviđanje orijentacije i oblika pukotina u početnoj fazi njihovog rasta odnosno vrste oštećenja boka do kojeg bi mogle dovesti. Za proračunavanje vremena do inicijacije pukotina primijenjena je kombinacija pristupa temeljenog na deformaciji i Fatemi-Socievog kriterija inicijacije pukotine temeljenog na principu kritične ravnine. Izrađen je matematički model zahvata zuba zupčanika kojim se proračunava evolucija komponenata naprezanja i deformacija materijala boka zuba tijekom zahvata. Predložen je i novi pristup procjenjivanju zamornih parametara materijala na osnovi njegovih monotonih parametara, čijom su primjenom razvijeni izrazi za proračunavanje Basquin-Coffin-Mansonovih parametara zamora čelika 42CrMo4 isključivo na osnovi njegove tvrdoće. Cjelokupni proračunski postupak implementiran je u program za osobno računalo, čime je omogućeno brzo i detaljno predviđanje trajnosti bokova zuba zupčaničkih parova različitih geometrija i materijala pri različitim uvjetima zahvata. Proračunata vremena do pojave pukotina mogu poslužiti kao osnova za provjeru ispravnosti odabira materijala zupčanika, kao i ispravnosti profila tvrdoće ostvarenog u površinskom sloju materijala boka zuba nakon toplinske obrade.This dissertation deals with fatigue-induced damage of gear tooth flank. The developed calculation procedure enables calculation of number of load reversals to fatigue crack initiation, identification of the area on the tooth flank where cracks will first appear as well as a prediction of orientation i.e. the shape of initiated cracks and type of damage they will most probably develop into. To determine crack initiation time, strain-based approach was combined with critical plane based Fatemi-Socie crack initiation criterion. A mathematical model of gear teeth flanks in mesh was developed to calculate the evolution of stress and strain components during the mesh. Furthermore, a novel approach is proposed for the estimation of material fatigue parameters from its monotonic properties and also expressions are given for the calculation of Basquin-Coffin-Manson fatigue parameters for steel 42CrMo4 from its hardness. The entire calculation procedure was implemented in a computer program which enables fast and detailed prediction of tooth flank lifetime for gear pairs with different geometries, made of different materials and operating under different working conditions. Numbers of load reversals to the crack initiation calculated in such a manner can serve as a basis for the verification of the adequacy of the chosen gear material, as well as that of the hardness profile achieved in the surface layer of the tooth flank after heat treatment

Multiaxial Fatigue Life Calculation Model for Engineering Components in Rolling-Sliding Contact

Number of important engineering components and elements such as gears, rollers, bearings operate in conditions of rolling-sliding contact loading. Determination of fatigue lives of such components and elements is very important for engineering practice but remains quite chalenging task due to complex states of stress and strain in the material in the vicinity of contact (multiaxiality, non-proportionality, rotation of principal axes, mean compressive stress) as well as complex contact conditions such as loading amplitude, complex geometry of bodies in contact, type of lubrication, value of coefficient of friction, etc. Proposed fatigue life calculation model for cases of rolling-sliding contact is based on critical plane approach in the form of Fatemi-Socie crack initiation criterion. Developed model was implemented in the case of gears teeth flanks in mesh and compared with results and fatigue lives of gears reported in literature. Good agreement was determined confirming validity of developed model. Further advantage of presented approach and developed model is obtained information on critical location(s) and critical plane(s) orientation which can subsequently be used for estimation of crack shapes in initial phases of their growth and later damage type into which they can be expected to develop