Białystok, 20.05.2013 r. Prof. zw. dr hab. inż. Jan Piwnik
Zakład Inżynierii Produkcji W ydział M echaniczny Politechnika Białostocka
RECENZJA
rozpraw y doktorskiej m gr inż. Adam a Marka W ittek
pt.: „W pływ czynników konstrukcyjnych i technologicznych na trw ałość stabilizatorów w pojazdach sam ochodow ych”
Prom otor rozprawy: dr hab. inż. Bogusław Łazarz, prof. nzw. w Politechnice Śląskiej.
Podstawa opracow ania recenzji: pismo Dziekana W ydziału Transportu Politechniki Śląskiej z dnia 7 lutego 2013 r.
1. W ybór problem atyki, teza i cel pracy
W spółczesne stabilizatory sam ochodow e są to pręty gięte przestrzennie w kształcie litery U z częścią tylno-grzbietow ą i ramionami. W ykonyw ane są ze stali sprężynowej o kołowym lub pierścieniowym przekroju poprzecznym.
S tabilizator poprzeczny odciąża bardziej odkształcony elem ent resorujący. W ykonuje on przem ieszczenie poprzeczne, boczne podczas jazdy sam ochodu na zakręcie bez oddziaływ ania na koła, dzięki czemu koła w ewnętrzne nie utracą przyczepności.
S tabilizator sam ochodow y pracuje w bardzo złożonych, zm iennych w czasie obciążeniach. Stąd producenci współczesnych sam ochodów projektują i wykonują stabilizatory z uw zględnieniem najnowszych osiągnięć m echaniki kom puterowej i dośw iadczalnych metod analizy struktury i oceny wytrzym ałości doraźnej oraz zm ęczeniow ej w warunkach odpow iadających w arunkom eksploatacyjnym pojazdu.
Paca ma charakter obliczeniow o-dośw iadczalny i dotyczy związku param etrów geom etrycznych i m ateriałowych stabilizatorów ze stanem naprężeń głównie w strefach prom ieniow ych ja k też ich wpływu na w ytrzym ałość zmęczeniową.
Przedstaw ione w pracy obliczenia i badania posłużyły dalej do optym alizacji i m odyfikacji cyklu konstrukcyjno-technologicznego w procesie produkcyjnym.
Konsekw entna realizacja celów została potwierdzona wynikam i obliczeń i badań dośw iadczalnych udow adniając następującą tezę: uzyskanie wym aganej trw ałości zm ęczeniow ej stabilizatorów sam ochodowych w ym aga jednoczesnego uw zględnienia w procesie projektowania wszystkich istotnych czynników konstrukcyjnych i technologicznych. W szczególności należy uw zględnić cechy geom etryczne takie ja k proporcje prom ieni gięcia stabilizatorów do ich średnic oraz param etry w ytrzym ałościow e w ybranego m ateriału uzyskiwane w założonym cyklu produkcyjnym .
Uważam, że podjęta w rozprawie problem atyka, tezy i cele pracy są naukowo aktualnym i trudnym zadaniem m echaniki i eksploatacji pojazdów. Mają przy tym duże znaczenie praktyczne.
2. O cena m erytoryczna i form alna
Rozprawa je st obszerna, zaw iera 216 stron i składa się z części opisowej i badawczej, w których zam ieszczono około trzystu rysunków i trzydziestu tablic. Zam ieszczona bibliografia zaw iera 151 pozycji, z czego w iększość stanow ią aktualne publikacje zagraniczne w ydane po roku 2000.
Praca została podzielona na dw anaście rozdziałów. W rozdziałach od trzeciego do jedenastego pokazano w łasne wyniki badań. Pierwsze dwa rozdziały dotyczą encyklopedycznego opisu teorii stabilizatorów sam ochodowych, obróbki cieplnej, badań zm ęczeniowych, zarysu teorii gięcia i współczesnych metod produkcyjnych. Zajm ują one 113 stron i są niepotrzebnie rozwlekłe.
Oryginalne, w artościow e naukowo wyniki badań obliczeniowych i dośw iadczalnych zaw ierają rozdziały od piątego do jedenastego. W zakresie analizy num erycznej m etodą MES w ykonano cztery oryginalne zadania:
1. O pracow anie reprezentatyw nego modelu obliczeniow ego stabilizatora rurowego i masywnego:
a) opracow anie modelu zastępczego łożyskow ania stabilizatora, b) dobór prom ieni gięcia,
c) generacje siatki (m etody prowadzące do najlepszych porównywalnych z obliczeniam i analitycznym i wyników),
d) uw zględnienie owalizacji w obliczeniach (niem ożliw e w obliczeniach analitycznych) jej wpływ u na w ielkość naprężeń zastępczych,
e) uw zględnienie działania karbu,
f) obliczenia wielkości i rozkładu naprężeń zastępczych w obciążonym stabilizatorze w zależności od param etrów geom etrycznych i założonego obciążenia (wym aganej sztywności),
2. Sym ulacja dynam iczna procesu gięcia (gięcie na gorąco w stole do gięcia) obserw acja takich zjawisk ja k ow alizacja w strefie giętej - promieniowej, sprężynow anie giętego stabilizatora rurowego, rozkład naprężeń w strefie giętej - odkształcanej. Z sym ulacji tej w ynikają praktyczne wskazówki do konstrukcji oprzyrządow ania do gięcia stabilizatora.
3. O bliczenia zm ęczeniow e stabilizatorów w oparciu o w ypracowane modele (pkt 1). 4. Sym ulacja procesu nagrzewania (rozkład tem peraturow y) niezbędnego do dalszej
obróbki cieplnej - odpuszczanie średnie.
W ykorzystano w tym celu program y Abaqus, H yperW orks/Radioss/H yperForm , Ansys
Jednocześnie w ykonano obliczenia analityczne i porównano ich wyniki z w ynikam i m etodą MES. Zrealizow ano w tym celu następujące zadania:
1. W ykonano obliczenia analityczne, statyczne stabilizatorów w celu dobrania optym alnego stosunku prom ienia gięcia do średnicy pręta k - R / d - 2 , 2 (przeliczono ponad 100 różnorodnych stabilizatorów - w pracy udokum entowano obliczenia 30 stabilizatorów rys. 6.16 podrozdział 6). Szczegółowe obliczenia analityczne i z w ykorzystaniem MES (obliczenia statyczne i dynam iczne) przeprow adzono na 3 wybranych stabilizatorach (kryterium wyboru: geometria, param etry wytrzym ałościow e, dobór materiału).
2. O bliczenia wielkości i rozkładu naprężeń zastępczych w obciążonym stabilizatorze w zależności od param etrów geom etrycznych i założonego obciążenia
(wym aganej sztywności).
Szczególnie cenną w artość m ają pokazane w rozdziale ósmym wyniki badań zm ęczeniowych.
W ybrane stabilizatory zostały poddane testom zm ęczeniowym na maszynach zm ęczeniow ych firm y Franke. Testy zm ęczeniow e pokrywają się z wynikam i dynam icznych obliczeń MES wykonanych z w ykorzystaniem programu nCode DeignLife Przełom y zm ęczeniow e zostały poddane szczegółowej analizie (badania m etalograficzne).
W przypadku analizowanych w pracy stabilizatorów m ateriałem je s t stal 34M nB5 i 55Cr3. W przypadku stabilizatorów w ykonanych ze stali 34M nB5 kierowano się tylko i w yłącznie wysokim i param etram i w ytrzym ałościow ym i stali zaniedbując wyboru optym alnego dla tego m ateriału procesu technologiczno - produkcyjnego. W konsekw encji doprow adziło to przedw czesnego zniszczenia stabilizatorów podczas testów zm ęczeniow ych (nie osiągając w ym aganej w ytrzym ałości zm ęczeniowej). Powodem przedw czesnych pęknięć przy błędnie założonym procesie technologiczno - produkcyjnym było w ytrącanie się ferrytu w strefach giętych. W ytrącanie ferrytu udało się poprzez optym alizację param etrów konstrukcyjnych stabilizatora (w szczególności prom ienia gięcia) i oprzyrządow ania na tyle ograniczyć, że w konsekw encji uzyskano w ym aganą liczbę cykli zm ęczeniowych.
S tabilizator m asywny w ykonany ze stali 55Cr3 osiągnął podczas testów zm ęczeniow ych w ym aganą liczbę cykli zm ęczeniowych. W łaściw ie dobrano proces technologiczno - produkcyjny i rodzaj oprzyrządowania.
Przedstaw iona w rozdziałach od piątego do dziesiątego obszerna dokum entację i analiza badań doprowadziła do następujących wartościowych naukowo i praktycznie wniosków:
1. Przeprow adzone kom pleksow e obliczenia i sym ulacje potw ierdzają ich celow ość i zasadność w fazie konstrukcyjnej. Dobór prawidłowych optym alnych param etrów geom etrycznych stabilizatora takich ja k np. stosunek prom ienia gięcia do średnicy, sztywności je st gw arantem uzyskania w ym aganej w ytrzym ałości zm ęczeniowej. 2. O bliczenia w ytrzym ałościow e stabilizatorów powinny być przeprowadzone
zarów no m etodą analityczną ja k i z w ykorzystaniem MES. Aby zapew nić prawidłową w eryfikację modeli obliczeniow ych m uszą być przeprowadzone bezw arunkow o testy zm ęczeniowe.
3. Należy podkreślić, że m am y w pracy do czynienia ze stabilizatoram i z seryjnej produkcji. O ptym alizacja oprzyrządow ania i sam ego stabilizatora wym aga
każdorazow ego przyzwolenia zleceniodawcy. Powiązane je s t to z dużym nakładem pracy i kosztami. Aby uniknąć tego rodzaju problem ów należy (jak przedstaw iono i przeanalizow ano w pracy) przeprow adzić kom pleksowe obliczenia i sym ulacje w fazie konstrukcyjnej (stabilizatora i oprzyrządow ania) przed przystąpieniem do produkcji seryjnej. W szystkie analizowane stabilizatory zostały poddane badaniom m etalograficznym i testom zm ęczeniowym w fazie prototypowej i w produkcji seryjnej.
4. O ptym alizacja sam ego procesu produkcyjnego w w stępnej produkcji seryjnej jest tylko częściow o możliwa. Uzależnione je s t to od możliwości technologiczno - produkcyjnych zakładu
5. Przeprow adzone prawidłowo obliczenia, sym ulacje i weryfikacja modeli obliczeniow ych są bazą w yjściow ą do doboru prawidłowego, optym alnego procesu produkcyjnego (ustalenia w szystkich param etrów) bez potrzeby prowadzenia próbnych gięć w linii produkcyjnej.
6. Jak w ykazano w pracy wyniki obliczeń i sym ulacji pokrywają się z testam i i analizam i przeprow adzonym i na stabilizatorach z produkcji prototypowej i seryjnej.
7. Na bazie dokonań i w yciągniętych z pracy w niosków zaproponow ano firmie ThyssenK rupp Federn & Stabilisatoren GmbH zm ianę - optym alizację procesu konstrukcyjno - technologicznego (rys. 4.1 i 4.2 podrozdział 4). Propozycje zm ian zostały pozytywnie przyjęte i są sukcesyw nie wdrażane.
Uważam, że pokazana w pracy struktura i rezultaty łączenia obliczeń, badań stabilizatorów i technologii produkcji zasługuje na w ysoką ocenę naukową.
Praca je s t napisana i opracowana starannie. Zwraca tu uwagę kom pleksow ość analizy obliczeniowej, dośw iadczalnej i technologicznej.
3. Uwagi krytyczne.
Pracę cechuje dobry poziom m erytoryczny. D oktorant nie ustrzegł się jednak pewnych niedociągnięć.
- Została zachw iana równowaga objętościowa części literaturowej w stosunku do części prezentującej oryginalne wyniki badań.
- Słabością pracy są popełniane m iejscam i błędy w nazew nictw ie naukowym i technicznym .
- Brakuje też szerszego oglądu analizy pracy stabilizatorów z punktu widzenia zastosow ań m odeli opartych na zw iązku teorii nośności granicznej i w ytrzym ałości zm ęczeniow ej.
Pow yższe uw agi nie obniżają mojej w ysokiej oceny pracy i w ynikają z braku dośw iadczenia publicystycznego Autora.
4. W n io s e k k o ń c o w y .
M gr inż. A dam M arek W itte k w n ió sł oryginalne elem enty do inżynierskiej m echaniki i technologii pojazdów. W ykazał to w drożeniem kom pleksowej analizy pól naprężeń, w ytrzym ałości zm ęczeniow ej, struktury i technologii produkcji do w ytw arzania stabilizatorów sam ochodow ych w now oczesnych pojazdach osobowych.
D oktorant w yka zał się um iejętnością korzystania z program ów num erycznych. Jednocześnie w yko nał dużo dośw iadczeń zw iązanych z w yznaczaniem zaaw ansow anych w łasności m echanicznych materiału.
D oktorant udo kum entow ał dobrze w iedzę naukow ą techniczną z zakresu podstaw m echaniki m ateriałow ej i konstrukcji maszyn.
U w zględniając oryginalne w yniki D oktoranta i m ożliw ość ich w drożeń w przem yśle sam ochodow ym uw ażam , że recenzow ana rozprawa zasługuje na w yróżnienie i spełnia w szystkie w ym agania Ustaw y z dnia 14 m arca 2003 roku o stopniach naukowych i tytule naukowym , w dziedzinie nauk technicznych, w dyscyplinie budow a i eksploatacja m aszyn i w nioskuję o dopuszczenie rozprawy doktorskiej m gr inż. A dam a Marka W itte k do publicznej obrony.
