Numerické a experimentální modelování jako podpora řešení technických a biomedicínských problémů

SP2020/23

Ličková Dagmar Ing. Mgr., Ph.D.

01. 01. 2020 - 31. 12. 2020

Předkládaný projekt navazuje ve vybraných oblast na předchozí SGS projekt Katedry aplikované mechaniky FS VŠB-TUO. Získané zkušenosti studentů z řešení dílčích úloh projektu povedou k zvýšení jejich odborné úrovně a po úspěšném absolvování studia i k vyššímu uplatnění na trhu práce. Projekt bude zaměřen na následující výzkumné části: 1) Měření dynamických vlastností antivibračních materiálů na bázi míchaných buňkových polyuretanů, srovnání s pryžovými antivibračními materiály a implementace do numerického modelu. Cílem je několika experimentálními metodami zjistit dynamickou tuhost moderních antivibračních materiálů SYLODYN (SYLOMER) a porovnat získané dynamické vlastnosti s tradičně používanými pryžovými materiály a dále pak stanovení vhodné oblasti využitelnosti těchto moderních materiálů. Dále je cílem získání vstupních dat pro numerické modely pracujícími s těmito materiály. Při realizaci experimentů se využijí bohaté zkušenosti školitelů a dobré laboratorní zázemí pracoviště. 2) Výpočet vlastních frekvencí a tvarů kmitání pro (i) sestavu kostry elektromotoru se statorovými plechy a vinut a sestavu (ii) hřídele s rotorovými plechy a tyčemi pro 2-pólový asynchronní elektromotor o osové výšce 315 mm od společnosti Siemens, s. r. o., odštěpný závod Elektromotory Frenštát. Výpočtový model bude vytvořen v programovém systému ANSYS Workbench. Vypočítané vlastní frekvence a tvary kmitání budou srovnány s experimentálně naměřenými daty. Bude se zkoumat vliv vybraných výrobních a technologických parametrů elektromotoru a parametrů výpočtového modelu na modální vlastnosti. Na základě dosažených výsledků bude vytvořena metodika k jejich výpočtu. 3) Osteosyntéza – biomechanické numerické a experimentální řešení vybrané lékařské pomůcky pro dlouhé končetiny. Ve spolupráci s lékaři se bude řešit problematika ortopedie/traumatologie/chirurgie. 4) Experimentální a numerické řešení problematiky osteosyntézy 5. metatarsu, zaměření na použití Herbertových šroubů v ortopedii a traumatologii ve spolupráci s lékaři FNO. Spolupráce s LF Ostravské univerzity a firmou Medin na vývoji traumatologických a ortopedických implantátů. Výzkum mechanických vlastností slitiny Ti6Al4V, používané při výrobě lékařských implantátů, vyrobené metodou 3d tisku 5) Výzkum materiálů používaných v traumatologii a ortopedii při léčbě zejména tříštivých diafyzárních zlomenin stehenní kosti. S využitím numerických metod navrhnout model rozhraní kostní tkáně a implantátu, který bude využit k optimalizaci tvaru implantátu vzhledem ke způsobu jeho namáhání. Dále začít tvořit numerické modely zlomenin na jejichž základě lze provést repozici zlomeniny z toho pak podle typu zlomeniny stanovit nejvhodnější typ implantátu, z hlediska tvaru a jeho mechanického namáhání 6) Aplikace pevnostních a deformačních analýz na bezhlavičkové šrouby (Herbertovy) v interakci s kostí. Porovnání vypočtených výsledků s experimentálním měřením. Publikování vědeckých článků na mezinárodních či domácích vědecko-výzkumných konferencích. Dopsání, odevzdání a obhájení disertační práce. – Bajtek 7) Výskyt rezonance Lambových vln je možné registrovat zejména v případě interakce tohoto typu vln se specifickými nespojitostmi v deskovitých strukturách. Výzkumné práce budou zaměřeny na popis uvedeného fenoménu v případě vad ve formě dvojitostí v izotropních deskách. Experimentální část bude zaměřena na návrh a realizaci měřícího řetězce pro praktické ověření daného fenoménu. Analýza fenoménu rezonance Lambových vln na vadách typu dvojitost v izotropních deskách, realizace měřícího řetězce pro účely ověření daného fenoménu v praxi. 8) Aplikace metody topologické optimalizace na problematiku mechanických vklíněnců, problematiku transtibiální ortézy. 9) Počítačové modelování pružných struktur zhotovených metodou 3D tisku. 10) Magnetoreologické squeeze filmové tlumiče jsou semiaktivní vazbové prvky spojující rotující a stacionární části rotorové soustavy. Za účelem dosažení optimálního tlumení kmitání rotorové soustavy se tlumicí síla musí měnit podle aktuální provozních podmínek. Je známo, že tlumící síla magnetoreologického tlumiče je nelineární a proto je potřeba vytvořit algoritmy, které cestou počítačových simulací umožní analyzovat kmitání rotorových soustav za všech provozních stavů. Vytvořit algoritmy: (i) pro výpočet ustálené složky odezvy rotorové soustavy s magnetoreologickým squeeze filmovým tlumičem na silové buzení periodického časového průběhu, (ii) pro posouzení stability kmitání a (iii) provést kvalitativní srovnání s měřením na testovací rotorové soustavě RK4 Rotor Kit. 11) Numerická studie procesu tváření svorky stabilizátoru uchycení stabilizační tyče nápravy automobilu. Bude provedena studie praktického postupu tváření svorky. Dále průzkum a volba vhodného softwaru pro výpočet. Simulace procesu tváření svorky stabilizátoru. Vliv výsledků analýzy na odhad únavové životnosti. Výsledkem bude Diplomová práce. Zkoušky vysokocyklové únavy v tahu/tlaku s vnitřním přetlakem za použití navrženého zkušebního přípravku. Realizace a vyhodnocení experimentů v oblasti vysokocyklové únavy materiálů. Aplikace DIC metody při měření a vyhodnocení materiálových zkoušek vybraných typů zkušebních vzorků v oblasti nízkocyklové únavy při víceosém zatěžování. Dokončení konstrukce polariskopu s řízeným pohonem filtrů. 12) Podání článku na řešení mechanické odezvy měkkých tkání při dvouosém zatěžování. Ověření podmínky nestlačitelnosti pro měkké tkáně. Témata diplomových a disertačních prací studentů jsou vedeny v systému Edison a jejich výstupy pak na dsapce.vsb.cz

doc. Ing. Martin Fusek, Ph.D.
doc. Ing. František Fojtík, Ph.D.
Ing. Petr Ferfecki, Ph.D.
prof. Ing. Jaroslav Zapoměl, DrSc.
doc. Ing. Jiří Podešva, Ph.D.
prof. Ing. Karel Frydrýšek, Ph.D., FEng.
doc. Ing. Michal Šofer, Ph.D.
doc. Ing. Pavel Maršálek, Ph.D.
doc. Ing. Stanislav Polzer, Ph.D.
Ing. Michal Kováčik, Ph.D.
Ing. Vojtěch Bajtek
Ing. Radomír Bělík, Ph.D.
Ing. Martin Nevřela
Ing. Zbyněk Paška, Ph.D.
Ing. Jakub Cienciala
Ing. Jiří Šmach
Vít Zamarský
Ing. Petr Gál
Ing. Vojtěch Machalla
Ing. Pavel Pavlíček
Ing. Michal Kořínek
Ing. Radek Vitásek
Ing. Vojtěch Řepa
Bc. David Bolek
Ing. Michal Molčan
Bc. David Stareczek
Ing. Yasin Batiha
Ing. Martin Šotola
Ing. Jakub Trušina
Bc. Adam Komínek
Ing. Patrik Eiba
Bc. Jakub Pavelek
Ing. David Krzikalla
Ing. David Schwarz
Ing. Adam Růžička
Ing. David Rybanský
Ing. Kateřina Vlčková
Bc. Jakub Vasko
Ing. Petr Lakomý
Ing. Lukáš Drahorád
Ing. Matěj Kosma
Ing. Tadeusz Czapek
Ing. Jan Řehák
Ing. Tomáš Halo
Ing. Juraj Hronček
Ing. Daniel Čepica
Ing. Anna Tošková
Bc. Lucie Řezníčková
Ing. Lukáš Juříček
Ing. Mgr. Dagmar Ličková, Ph.D.

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

Jako výstupy projektu v souladu s metodikou RVVI se předpokládají:
- 2 odeslané časopisecké články nebo příspěvky na konferenci uvedené v databázích WoS nebo SCOPUS,
- 2 odevzdané/obhájené disertační práce,
- 8 odevzdaných/obhájených diplomových prací .

Harmonogram řešení projektu:
jaro 2020 – návrh a plán experimentální a výpočetní činnosti, studium odborných zdrojů,
léto 2020 – příprava experimentů, tvorba výpočetních modelů,
podzim 2020 – realizace měření a vyhodnocení dat, realizace výpočtů,
zima 2020 – diskuze výsledků, prezentace výsledků, zhodnocení projektu.

V roce 2020 bude pořádat Katedra aplikované mechaniky mezinárodní konferenci Experiemntální analýza napětí 2020 (58. ročník), která nabídne, kromě vědeckých pracovníků, i možnost prezentovat dosavadní poznatky a výsledky studentské činnosti.

Časová specifikace:

01-03 2020:
Provedení průzkumu trhu ohledně nových materiálu slitin Ti-Nb a Ti-Zr, které se začínají používat jako materiál implantátu a fixátoru, dokončení konstrukce polariskopu s řízeným pohonem filtrů. Návrh a výroba zkušebních vzorků pro zkoušky vysokocyklové únavy. Vybrání dodavatele a výběr vhodného řešení měření bezkontaktní tloušťky (laser, optika, ultrazvuk). Experimentální měření na rotorové soustavě RK4 Rotor Kit v základní sestavě. Vypracovat literární rešerši na téma zahrnutí rotoru elektromotoru/kostry elektromotoru se statorovým vinutím do výpočtového modelu. V prostředí ANSYS Workbench udělat testovací úlohu k výpočtu modálních vlastností předepjaté struktury. Příprava dat pro numerické řešení tříštivých zlomenin stehenní kosti. Bude provedena studie praktického postupu tváření svorky vhodné k uchycení stabilizační tyče přední nápravy automobilu. Dále bude proveden průzkum a volba vhodného softwaru pro výpočet. Teoretický popis fenoménu rezonance Lambových vln, využití semianalytického přístupu k predikci daného fenoménu pro konkrétní typ vady. Studium fyzikálních principů funkce magnetoreologického tlumiče a tvorba matematického modelu magnetoreologického tlumiče.

04-06 2020:
Zkompletování sestavy pro realizaci mechanických zkoušek materiálu ze slitin Ti-Nb a Ti-Zr. Aplikace DIC metody při měření a materiálových zkoušek vybraných typů zkušebních vzorků v oblasti nízkocyklové únavy při víceosém zatěžování. Návrh měřícího řetězce, výběr typu umělé vady s ohledem na její vyrobitelnost. Experimentální měření na magnetoreologickém tlumiči. Realizovat výpočet vlastních frekvencí a tvarů rotoru elektromotoru/kostry se statorovým vinutím. Zkoumat vliv vybraných výrobních a technologických parametrů na výpočet vlastních frekvencí. Vypočítané modální parametry srovnat s naměřenými. Modelové úlohy mechanických vlastností stehenní kosti. Simulace procesu tváření svorky stabilizátoru. Vliv výsledků analýzy na odhad únavové životnosti. Programovací práce – implementace semianalytického přístupu do prostředí software MATLAB. Analýza rezonance Lambových vln pro případ v desce vyskytující se dvojitosti. Dokončení algoritmu k výpočtu tlumících sil v magnetoreologickém tlumiči a tvorba výpočtového modelu rotorové soustavy.

07-09 2020:
Provedení měření na vepřových aortách, změna tloušťky v závislosti na tlaku, ověření předpokladu nestlačitelnosti. Experimentální měření na rotorové soustavě RK4 Rotor Kit s magnetoreologickým tlumičem. Vypracovat metodiku k výpočtu modálních vlastností sestavy hřídele, svazku rotorových plechů a rotorových tyčí. Vypracovat metodiku k výpočtu vlastních frekvencí sestavy kostry elektromotoru, statorového svazku a vinutí. Vyhodnocení realizovaných materiálových zkoušek vybraných typů zkušebních vzorků v oblasti nízkocyklové únavy při víceosém zatěžování. Simulace rezonance Lambových vln na zvoleném typu vady (dvojitost) v prostředí software COMSOL, vzájemné srovnání výsledků obou přístupů. Sestavení algoritmu využívající metody harmonické rovnováhy k výpočtu ustálené složky odezvy rotorové soustavy.

10-12 2020:
Analýza a následná interpretace naměřených dat na materiály ze slitin Ti-Nb a Ti-Zr. Zpracování a vyhodnocení zkoušek vysokocyklové únavy materiálů kombinace zatěžování v tahu/tlaku s vnitřním přetlakem. Simulace rezonance Lambových vln pro typ vady, jenž byl vybrán v rámci řešení uvedeného fenoménu v experimentální formě. Analýza experimentálních a numerických výsledků. Tvorba numerického modelu zlomenin na jejichž základě lze provést repozici zlomeniny a stanovit nejvhodnější typ implantátu, a to jak z hlediska tvaru, tak i z hlediska jeho mechanického namáhání. Sestavení algoritmu k posouzení stability kmitání rotorové soustavy s magnetoreologickým tlumičem.


Specifikace výstupů
Literární rešerše.
Návrhy postupů nových experimentů vč. laboratorních úloh pro studenty.
Zisk podkladů pro vypracování disertačních i diplomových prací.
Publikace výsledků ve vědeckých časopisech a na odborných konferencích.

Konkretizace:
1x odeslaný článek v časopise s impakt faktorem, 1x funkční vzorek nebo prototyp, 2x aktivní účast a příspěvek na vybraných odborných konferencích.