Pokročilé numerické a experimentální přístupy v mechanice a biomechanice

SP2026/027

Fusek Martin prof. Ing., Ph.D.

01. 01. 2026 - 31. 12. 2026

Předkládaný projekt v některých oblastech navazuje na předchozí SGS projekt Katedry aplikované mechaniky FS VŠB-TUO. Zkušenosti, které studenti získají při řešení jednotlivých úloh, přispějí ke zvýšení jejich odborné připravenosti a po úspěšném ukončení studia i k lepšímu uplatnění na trhu práce. Projekt je z důvodu širokého záběru aplikované mechaniky (klasická mechanika, biomechanika, výzkum materiálů apod.) členěn do osmi dílčích projektů. Tyto dílčí projekty zahrnují: 1) Dílčí projekt se v první části zaměřuje na únavové zkoušení vzorků s obvodovým svarovým spojem a modifikaci Jiangova kritéria pro účely predikce životnosti svarových spojů. Testování proběhne na pěti zátěžných cestách (tah-tlak, krut, proporcionální tah-tlak a krut a dvě neproporcionální cesty). Experimentální data z nízkocyklových deformačně řízených únavových zkoušek budou vyhodnocena. V místě svaru vzniká změna napjatosti a lokální zvýšená napětí, z toho důvodu je nutné provést korekce k vyhodnocení skutečné napjatosti. Průběhy korigovaných veličin napětí a deformace budou použity k predikci pomocí modifikovaného Jiangova kritéria. Parametry kritéria budou stanoveny pomocí prvních dvou zátěžných cest, zbývající zátěžné cesty budou použity k verifikaci modifikovaného únavového modelu. Cílem první části je modifikace Jiangova kritéria k predikci svarových spojů. Druhá část bude zaměřena na provedení a vyhodnocení nízkocyklových únavových zkoušek vzorků vyrobených aditivní technologií s různou mírou recyklace panenského prášku slitiny hliníku AlSi10Mg. Zkoušky budou prováděny na zátěžných cestách tah-tlak a krut. Aditivně vyrobené materiály prokazují odlišné chování oproti konvenčně vyrobeným materiálům, vlastnosti materiálů jsou výrazně závislé na procesu výroby a na kvalitě základního kovového prášku. Proto je pro další vývoj v praxi nezbytné tyto vlivy zkoumat. Cílem druhé části je posouzení vlivu recyklace kovového prášku na životnost. 2) Druhý dílčí projekt se zaměřuje na pokračování výzkumu vlastností polymerních materiálů. Projekt navazuje na předchozí testování 3D tištěného materiálu PETG, který je jedním z nejpoužívanějších materiálů pro průmyslový i hobby 3D tisk. V tomto testování byla zjištěna významná závislost mechanických vlastností na velikosti vzorku a rychlosti zatěžování. Následující výzkum bude zaměřen na stejný materiál aditivovaný krátkými karbonovými vlákny. Tento materiál by měl mít vyšší pevnost než základní materiál PETG. Testování bude realizováno s využitím univerzálního zkušebního zařízení, kde budou provedeny zkoušky v tahu a tlaku při nízké rychlosti deformace a Hopkinsonova zkušebního stroje pro rázové zatížení v tlaku. Na základě naměřených dat bude popsáno chování materiálu a měření bude ověřeno za pomoci metody konečných prvků s využitím běžně dostupných materiálových modelů. 3) Navrhovaný projekt se zaměřuje na nízkocyklovou únavu vybraných aditivně vyrobených materiálů s aplikací zejména v automobilovém průmyslu. Pokračovat se bude zkoušením zejména vysokopevnostní chrom-molybdenové oceli 42CrMo4+QT, jenž byla zkoumána s ohledem na ratcheting v předchozím roce. Nyní se tým zaměří na zkoušky s relaxací středního napětí a zkoušky krutem. Cílem dílčího projektu je zejména získat a vyhodnotit pokročilými technikami experimentální data vysokopevnostní oceli 42CrMo4+QT. Budou připraveny nové protokoly pro testy s relaxací středního napětí v Jazyce Python. Vybrané NCÚ zkoušky budou simulovány MKP. 4) Dílčí projekt se dělí na několik etap. V úvodní fázi bude provedena hloubková rešerše konstrukcí ženského prádla se zaměřením na faktory ovlivňující uživatelský komfort a minimalizaci tlakových polí v citlivých oblastech prsu. Nevhodně navržená podprsenka může způsobovat lokální přetěžování tkání, omezovat mikrocirkulaci, vyvolávat dlouhodobý diskomfort a negativně ovlivňovat držení těla. V další etapě bude navržen koncept 3D tištěné podprsenky. Mechanické chování systému bude popsáno pomocí numerického modelu založeného na metodě konečných prvků, který umožní analyzovat vliv geometrických a materiálových parametrů mřížkové struktury košíčků (tuhosti, hustoty a topologie) na rozložení tlaku v exponovaných zónách. Výsledky analýz budou využity k optimalizaci návrhu tak, aby bylo možné vytvořit podprsenku personalizovanou na základě 3D skenu konkrétní uživatelky. Finálním výstupem projektu bude funkční prototyp nositelného prvku ženského prádla vyrobeného technologií 3D tisku. 5) Dílčí projekt se zaměřuje na numerické simulace metodou konečných prvků s využitím korotační formulace. Korotační formulace umožňuje rychlé pseudolineární řešení geometricky nelineárních úloh strukturální mechaniky s malými (poměrnými) deformacemi. V návaznosti na SGS projekt z roku 2025 bude již publikovaný konferenční příspěvek, který matematicky srovnává již zavedené algoritmy korotační formulace pro objemové konečné prvky, rozšířen na časopisecký článek, kde bude zveřejněn nový, vylepšený algoritmus a jeho numerické srovnání se zavedenými algoritmy. Dále bude provedena studie metod časové integrace a bude vybrána vhodná metoda pro implicitní dynamické analýzy s korotační formulací. V případě potřeby budou numerické výsledky ověřeny experimentálně na 3D tištěných plastových vzorcích. Prvním cílem projektu je publikovat nový, otestovaný algoritmus korotační formulace pro objemové konečné prvky včetně matematického a numerického srovnání se zavedenými algoritmy. Druhým cílem projektu je publikovat numerické srovnání vybraných existujících metod numerické integrace a identifikovat vhodnou metodu pro implicitní dynamické analýzy s korotační formulací. 6) Dílčí projekt se zaměřuje na vliv aditivace matrice na evoluci transverzálního porušení v CFRP materiálů. I přes rostoucí popularitu dlouhovláknových kompozitů, danou jejich cenovou dostupností a odolností, zůstává určitou výzvou monitoring a predikce jejich poškození. Kritickým problémem u vícesměrových laminátů složených z jednosměrných (UD) vrstev je vznik příčných neboli transverzálních trhlin. Uvedený typ poškození se vyskytuje primárně ve vrstvách, jejichž orientace je v úhlu okolo 90o od směru hlavního zatížení. Trhliny šířící se v těchto laminách disponují specifickým charakterem poškození, které má tendenci iniciovat delaminaci přilehlých vrstev. Uvedený fenomén je možné s využitím vhodné aditivace matrice do určité míry moderovat. Cílem projektu je analýza vlivu použitého aditiva matrice na iniciaci a evoluci transverzálních trhlin s využitím metody digitální korelace obrazu (DIC) a metody akustické emise (AE). Mezi plánované cíle projektu se řadí: realizace monotónních tahových zkoušek vzorků z 0/90 o CFRP laminy včetně monitoringu poškození příčných vrstev a rozhraní s využitím DIC/AE metody a signálová analýza zahrnující použití modální akustické emise za účelem kvantifikace charakteru porušení příčných vrstev v případě aditivované a neaditivované matrice. 7) Tento dílčí projekt je zaměřen na biomechaniku kostní tkáně. V oblasti biomechaniky se projekt soustředí na rozšíření stávající databáze CAD/FEM anatomických a zvířecích modelů kostí včetně detailního materiálového popisu v softwaru MADIFEM a na vývoj nového softwaru MADIFEM ANIMAL pro modelování kostí zvířat se zohledněním geometrie a nehomogenit v hustotě a modulu pružnosti. Součástí je také výzkum zevních a vnitřních fixátorů pro osteosyntézu komplikovaných zlomenin s cílem experimentálně i numericky posoudit jejich účinnost a vliv na napěťově-deformační stav kostní tkáně, ve spolupráci s lékařskými a veterinárními pracovišti. Významnou oblastí je experimentální a numerické zkoumání modálních vlastností kostí a jejich kmitání, se zvláštním důrazem na vysvětlení rozdílů mezi experimentem a numerickými modely a na zvýšení jejich predikční schopnosti. 8) Tento dílčí projekt je zaměřen na chování mechanických struktur na pružném podkladu, a to jak z hlediska kvazistatického, tak dynamického zatěžování. Projekt navazuje na výzkum nelineárních příhradových a nosníkových konstrukcí, zejména geometricky nastavitelného von Misesova nosníku s pružnými podporami, v oblasti kvazistatické i dynamické stability. Nově se zaměřuje také na vliv pružného podkladu u sendvičových dopravníků, kde bude využit klasický bilaterální Winklerův model i Hetényiho model pro detailnější popis interakce konstrukce s podkladem a související stability.

prof. Ing. Martin Fusek, Ph.D.
Ing. Michal Kořínek, Ph.D.
doc. Ing. František Fojtík, Ph.D.
prof. Ing. Karel Frydrýšek, Ph.D., FEng.
prof. Ing. Radim Halama, Ph.D.
doc. Ing. Pavel Maršálek, Ph.D.
doc. Ing. Zdeněk Poruba, Ph.D.
doc. Ing. Michal Šofer, Ph.D.
Ing. Martin Šotola, Ph.D.
Ing. Anna Tošková
Ing. Daniel Čepica
Ing. Patrik Eiba
Ing. Michal Molčan
Ing. Radek Páleník
Ing. Jan Hrček
Ing. Jakub Cienciala
Ing. Martin Mánek
Ing. Filip Zogata
Ing. Jaroslav Prajka
Ing. Anilraj Sudhakar
Behrad Zanganeh
Ing. Bhuvanesh Govindaraj
Ing. Fatih Sari
Bc. Ajay Vignesh Natarajan
Bc. Erik Bartoň
Ing. Lukáš Daňa
Bc. Antonín Doffek
Bc. Radek Folta
Bc. Jan Gattnar
Bc. René Grűmann
Bc. Jakub Konvička
Bc. Karolína Kružíková
Bc. Jakub Nevrlý
Bc. Karel Pešát
Bc. Lukáš Vyoral
Ing. Kateřina Ziková
Bc. Andrej Zimeľ
Bc. Tomáš Hykl
Bc. David Leňko
Bc. Tomáš Leskovan
Bc. Martin Velička
Bc. Sandra Zapletalová
Bc. Martin Zatloukal
Ing. František Chovanec

Projekt si klade za cíl uskutečnění experimentů a výpočetních simulací, které budou provedeny tak, aby bylo dosaženo kýžených výsledků.

Jako výstupy projektu v souladu s metodikou RVVI se předpokládají:
- 9x publikované časopisecké články s IF,
- 9x publikované časopisecké články nebo příspěvky na konferenci uvedené v databázích WoS nebo SCOPUS,
- 2x příspěvky na konferenci neindexované,
- 1x software,
- 1x funkční vzorek,
- 3x odevzdaná/obhájená disertační práce,
- 6x odevzdané/obhájené diplomové práce.

Harmonogram řešení projektu:
jaro 2026 – návrh a plán experimentální a výpočetní činnosti, studium odborných zdrojů,
léto 2026 – příprava experimentů, tvorba výpočetních modelů,
podzim 2026 – realizace měření a vyhodnocení dat, realizace výpočtů,
zima 2026 – diskuze výsledků, prezentace výsledků, zhodnocení projektu.