Foto: Joachim Rode

Doktorafhandling: Hemmeligheden bag brud og revner

tirsdag 19 jun 18

Kontakt

Brian Nyvang Legarth
Lektor
DTU Mekanik
45 25 42 57

Nogle gange udvikler brud og revner sig uforudsigeligt. Brian Nyvang Legarth undersøger i en ny doktorafhandling, hvordan det hænger sammen.

”Der er revner og brud i næsten alle materialer, og revnerne kan man finde overalt – sikkert også i den flyvemaskine, du senest fløj med. Der var garanteret revner et eller andet sted,” konstaterer Brian Nyvang Legarth med et smil, før han tilføjer:

”Spørgsmålet er blot, om revnerne er farlige.”

Det kan man roligt kalde et godt spørgsmål, og så meget desto bedre er Brian Nyvang Legarth den helt rette at adressere det til.

Han er lektor på DTU Mekanik, hvorfra han også er kandidat. Nu er han tillige blevet doktor efter at have forsvaret sin doktorafhandling som foreløbig kulmination på en mangeårig fascination af og fordybelse i 'anisotrope materialers ikke-lineære opførsel', som er en del af afhandlingens titel.

I afhandlingen samler han op på sine studier af, hvor og hvornår materialer går i stykker, og ikke mindst hvordan skader, som eksempelvis en revne, udvikler sig. For jo mere man kan forudsige, jo dygtigere bliver man til at forebygge skader og forberede sig på dem.    

"Hvor store fejl begår man, når man tror, at materialet opfører sig på en bestemt måde, men det viser sig at opføre sig på en anden?"
Brian Nyvang Legarth, lektor

Men nogle materialers opførsel er sværere at forudsige end andre, hvilket blandt andet er tilfældet for de anisotrope materialer. Det er særlige materialer med forskellige egenskaber i forskellige retninger. Anisotrope materialer kan eksempelvis lettere revne i én retning frem for i en anden. Det kan være træ, metaller, plast eller forskellige kompositmaterialer.

Populært udtrykt er anisotrope materialer uforudsigelige og gemmer på flere hemmeligheder modsat isotrope materialer, der opfører sig mere forudsigeligt - og kedsommeligt - hvis man er en forsker med Brian Nyvang Legarths temperament. 

Den vigtige forskel

De isotrope materialer er imidlertid i høj grad en del af forudsætningen for hans forskning.

”Man opfatter altovervejende metaller som isotrope. Jeg har undersøgt forskellen på at antage, materialet er isotropt, når det i virkeligheden er anisotropt. Hvor store fejl begår man, når man tror, at materialet opfører sig på en bestemt måde, men det viser sig at opføre sig på en anden måde? Det gælder standardberegninger på dimensionering af materialer, der bruges alle steder. De kan sidde i en mobiltelefon, en bil, en bro, et hus, en vindmølle eller ja, et fly.”

Hvad har de undersøgelser vist dig?

”Vi har isotropi som et referencepunkt, og så har vi anisotropi som en mere virkelighedsnær variation af det. Jeg kan se, at anisotropien enten kan fremskynde, at en skade sker, hvilket sjældent er godt. Anisotropien kan også udskyde det, og så har man nok været heldig. Eller det kan helt ændre, hvor skaden sker. Og så er man virkelig på spanden, hvis man tror, at nu har jeg regnet det perfekt ud, men jeg har antaget, at det er isotropt. Når jeg så bruger materialet i virkeligheden, så trigger anisotropien, at skaden sker et helt andet sted. Dét er et problem.”

Hvorfor?

”Så risikerer man, at de belastninger og spændinger i materialerne, som vi vil finde og forstå, vokser uhensigtsmæssigt meget et eller andet sted. Man får altså en skade på et sted eller et tidspunkt, hvor man ikke havde forventet det. Og hvis det sker i et fly, hvilket ofte er sket, så kan det selvsagt udvikle sig katastrofalt. Det handler om at lure et belastningsscenarie. Når nu materialet opfører sig på en bestemt måde, hvor vil skaden så ske? Min forskning handler i høj grad om at blive så god som overhovedet muligt til at forudse det.”

For at forfølge den ambition har Brian Nyvang Legarth ved hjælp af computerkoder og simuleringer udviklet nye numeriske beregninger, som i langt højere grad end tidligere kan afsløre, hvilke egenskaber materialer har i de forskellige retninger, hvilke belastninger materialerne kan tåle, og hvordan skader vil udvikle sig, når skaden er indtruffet og materialerne deformeres. Men simuleringerne kan ikke stå alene.

”Simuleringerne går hånd i hånd med eksperimenter. De numeriske simuleringer har den fordel, at de er meget billigere. Man kan lave et enormt stort spænd af forskellige scenarier. At gøre det i et laboratorium er meget bekosteligt og tidkrævende. Man kan sige, at mit primære arbejde er at udvikle teoretiske modeller og måder at bygge dem ind i et computerprogram på for så at lave nogle virtuelle test.”

Revner kan vokse uden belastning

Hvad er det sværeste ved at forudsige, hvornår og hvor der kommer en revne eller et brud?

”Hvis jeg får en konstruktion fra en designingeniør, er det sjældent særlig vanskeligt at finde ud af, om den går i stykker eller hvornår. Det svære er at følge skader, når de sker og se, om de bliver alvorlige - særligt hvis der kommer flere på samme tid som følge af anisotropi. En skade ændrer konstruktionens stivhed, fordi revnen ikke kan bære belastningen. Det skal det resterende intakte materiale.

Så det er en meget ustabil beregning, når ting begynder at gå i stykker. Når materialer begynder at revne, så omfordeles belastningen fuldstændig, og nogle af mine studier har vist, at revner vokser på trods af, at belastningen ikke stiger. Og det er ret vanskeligt at regne på sådan rent lavpraktisk. Der skal ofte benytte nogle tricks, som jeg så har brugt. ”

Hvorfor er det vigtigt at kunne følge revnen? Man kan vel bare reparere den, når den opstår?

”Ja, der er vi tilbage ved, at det ikke er alle revner, der er farlige. Nogle revner kan vi leve med. Ikke alt skal repareres. Der er masser af revner i konstruktioner, som er acceptable. Spørgsmålet er, hvor meget og hvordan man kan belaste konstruktionen. Hvis man ved det og holder sig inden for det, er man sikker.

Og så er der yderligere det forhold, at når man reparerer en konstruktion, eksempelvis et fly, så indfører man nye fejl i konstruktionen, og så kan det være reparationen, der er årsag til, at flyet styrter ned.”

Kan bruges over overalt

Brian Nyvang Legarths forskning er i sin essens grundvidenskabelig med en længere tidshorisont. Men han lægger i DTU’s ånd stor vægt på et teknologisk sigte, der stræber efter nytte og anvendelsesmuligheder. Og viden om de anisotrope materialers opførsel rækker ud mod alle ingeniører og virksomheder i den mekaniske højteknologiske industri – ikke mindst skibs- og vindmølleindustrien samt flyindustrien, hvor belastningerne på materialerne er gigantiske, og konsekvenserne af en skade kan være fatale. Men også ved mindre kritiske scenarier, hvor det måske mere er et økonomisk spørgsmål, kan resultaterne anvendes.

Hvad er det, der holder din gejst vedlige på det her forskningsfelt?

”Der er flere ting. Materialerne ser harmløse ud, men når man begynder at gøre noget ved dem, så opfører de sig på en måde, som jeg slet ikke havde regnet med. Der sker noget hemmeligt derinde, som jeg ikke kan se, men jeg kan se effekten af det. Dét er fascinerende, synes jeg.

Titlen på Brian Nyvang Legarths doktorafhandling er: 'Anisotrope materialers ikke-liniære mekanik – brud og homogenisering'. Forsvaret fandt sted 18. juni 2018.

Nyheder og filtrering

Få besked om fremtidige nyheder, der matcher din filtrering.