Strona 1 z 6
dr hab. inż. Jerzy Małachowski, prof. nadzw. WAT Warszawa, 31.05.2018 r.
Wydział Mechaniczny
Wojskowa Akademia Techniczna Ul. Gen. Witolda Urbanowicza 2 Tel.: +48 261 839 140
E-mail: jerzy.malachowski@wat.edu.pl
Recenzja
rozprawy doktorskiej pt. Application of passive damping systems
in blast resistant gates napisanej przez mgra inż. H
ASANA
LIS
ULTANAL-RIFAIE
1. Podstawa opracowania
Podstawę opracowania stanowi pismo Dziekana Wydziału Budownictwa i Inżynierii Środowiska Politechniki Poznańskiej prof. dra hab. inż. T
OMASZAM
ROZA, podyktowane decyzją Rady Wydziału z dnia 06.04.2018 r. i dołączona do niego rozprawa doktorska mgra inż. H
ASANA
LIS
ULTANAL-RIFAIE pt. Application of passive damping systems in blast resistant gates. Promotorem rozprawy jest dr hab. inż. W
OJCIECHS
UMELKA, prof. Politechniki Poznańskiej, a promotorem pomocniczym dr inż. P
IOTRS
IELICKI.
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 2 z 6
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 3000×4500 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 3 z 6
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 4 z 6
(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 5 z 6
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 6 z 6
