Experimentální a numerické modelování pro řešení problémů v mechanice a biomechanice

SP2024/037

Fusek Martin doc. Ing., Ph.D.

01. 01. 2024 - 31. 12. 2024

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 je rozdělen do dvanácti dílčích podoblastí a to z důvodu, že oblast aplikované mechaniky zahrnuje velmi širou škálu aplikačních problémů (klasická mechanika, biomechanika, výzkum materiálů, aj.). Tyto dílčí podoblasti zahrnují: 1) Dílčí projekt se zaměřuje na numerickou studii procesu 3D tisku testovacího můstku z Titanu, který se používá na kalibraci zbytkových napětí vznikajících při 3D tisku. Dále bude provedeno vyhodnocení zbytkových napětí podle zavedených metod, analýza zbytkových napětí pomocí odvrtávací metody a srovnání výsledků. Cílem je kalibrace výpočetního modelu pro simulaci 3D tisku v programu Ansys Workbench, modelování tisku testovacích můstků z Titanu s ohledem na analýzu zbytkových napětí, analýza zbytkových napětí pomocí odvrtávací metody a rozřezávací metody a srovnání výsledků obou metod včetně porovnání s výsledky numerické simulace. 2) Dílčí projekt se zabývá návrhy způsobu měření tlaků a obsahu kyslíku v podkožní tkání. Tyto postupy by měly být aplikovány na pacienty s instalovanými systémy podtlakové terapie. Cílem je návrh vhodných měřicích zařízení, popřípadě jejich úprava a provedení experimentálního ověření ve spolupráci s FNO a také návrh metodiky měření a vyhodnocení výsledků. 3) Dílčí projekt se zaměřuje na zkoušky vysokocyklové únavy ve střídavém ohybu u vrubovaných vzorků z materiálu 11523.1. Bude proveden návrh metodiky zkoušení a realizace sady experimentů v oblasti vysokocyklové únavy materiálů u tří typů konstrukčních vrubů a také návrh experimentu pro zkoušky vysokocyklové únavy u kompozitních materiálů. 4) Dílčí projekt se zaměřuje na několik oblastí. Ve spolupráci s lékaři budou zpracovány obrazové záznamy CT snímků a z nich budou vytvořeny CAD/FEM anatomické modely kostí, především lebek a končetin. V závislosti na hustotě kosti se stanoví moduly pružnosti materiálu. Dále budou provedeny modální analýzy na kadáverických lebkách dorostenců a dospělých, jejichž cílem bude zjištění kritických vlastních frekvencí. To vše analytickým a experimentálním způsobem s jejich následným porovnáním. V další části se bude ve spolupráci s průmyslem řešit problematika průhybů pásu sendvičových dopravníků přepravující sypké hmoty, kdy se budou aplikovat různorodé modely pružného podkladu v analytických, numerických, experimentálních a pravděpodobnostních přístupech. Řešit se bude také tvorba výkresů a výroba funkčního vzorku von Misesova nosníku a jeho aplikace s pružnými podporami. Toto bude řešeno numerickým, analytickým a experimentálním způsobem. Poslední oblastí dílčího projektu je pevnostní analýza implantátů pro léčbu komplikovaných zlomenin pomocí MKP a pravděpodobnostním způsobem. 5) Navrhovaný dílčí projekt se zaměřuje na zkoumání materiálových vlastností zkušebních vzorků vyrobených metodou 3D tisku při dynamickém zatěžování. Bude zprovozněn zkušební stroj pro zkoušky materiálu v tahu a následně bude porovnána odezva materiálu při tahovém a tlakovém namáhání. 6) Dílčí projekt se zaměřuje na zpracování dat z tahových zkoušek vzorků s tupým svarem a navazuje tak na již proběhlý dílčí projekt, který se zaměřoval na návrh vzorků pro tahovou zkoušku a následné experimentální zkoušení. Data z tahové zkoušky svarových vzorků a vzorků základního materiálu budou zpracována. Budou stanoveny materiálové parametry pro nastavení matematického modelu pro numerické simulace. Následně bude provedena sekvenční tepelně-strukturální numerická simulace. Posléze budou srovnány výsledky numerického a experimentálního přístupu řešení napěťové odezvy staticky zatížených svarových spojů. 7) Předkládaný dílčí projekt dále navazuje na předchozí výzkum viskoplastického chování materiálů zejména vhodných pro 3D tisk. Oproti předchozímu roku, kdy byly zkoumány mechanické vlastnosti za pokojové teploty, budou sensitivita na rychlost deformace a relaxace (příp.creep) zkoumány také za zvýšených teplot. Pokračovat se bude také v precizování kódů pro vyhodnocení únavových zkoušek pro nízkocyklovou oblast připravených v jazyku Python. Tentokrát se užší tým zaměří na přechodové jevy cyklického zpevňování/změkčování s důrazem na zvýšení přesnosti analytického řešení v porovnání s predikcí metodou konečných prvků. 8) Navrhovaný dílčí projekt se zabývá numerickým, experimentálním a technickým řešením požadavků současné technické praxe. V první části projektu bude navržen antidekubitní sedací systém tvořený prostorovou mřížkovou strukturou, jehož účelem je snížení možnosti vzniku dekubitů. Dekubity vznikají dlouhodobým působením tlaku, tření tkání nebo z důvodu špatného prokrvení tkání. Numerický model spolu s experimentálně naměřenými daty budou využity pro studium vlivu vybraných geometrických parametrů systému na redukci dekubitů formou posuzování tlaku v exponovaných oblastech. Práce se zaměřuje na využití takto získaných poznatků pro návrh sedacího systému s ideálními antidekubitními vlastnostmi pro uživatele. V druhé části projektu bude provedeno měření modálních vlastností válcové nádrže na vodu s cílem určit skutečné vlastní frekvence a vlastní tvary kmitání včetně příslušných poměrných útlumů. Měření bude provedeno pro různé varianty naplnění válcové nádrže. Naměřená data povedou k validaci parametrického numerického modelu nádrže s cílem posoudit kritickou rychlost působení větru s ohledem na frekvenci odtrhávání vírů. V třetí části projektu bude provedeno měření akustické emise při tahové zkoušce jednopramenného ocelového lana. Získané výsledky budou sloužit ke studiu identifikace a predikce porušení jednotlivých drátů. 9) Téměř 50 let je aorta považována za nestlačitelný hyperelastický materiál. Díky předpokladu nestlačitelnosti dochází k zjednodušenému stanovení jak jednoosé, tak dvouosé odezvy aortální tkáně. Tloušťka, popř. i šířka vzorku, je dopočítávána, aniž by ji bylo nutné kontinuálně měřit, díky čemuž je možné dopočítat aktuální napětí vyskytující se ve vzorku. Dochází také k zjednodušení konstitutivní rovnice i následné získání materiálových parametrů pomocí fitování. Avšak tento předpoklad, tedy předpoklad nestlačitelnosti aortální tkáně, je v přímém rozporu s našimi naměřenými daty, kdy při jednoosém tlaku v radiálním směru snímáme 3 osou deformaci vzorku. Takto navržené zatížení respektuje stav zatížení in vivo. Výsledky týmu jsou v souladu s nejnovějšími publikacemi stanovující nestlačitelnost, které byly získány při jednoosé tahové zkoušce. Prvním cílem tohoto dílčího projektu je vylepšit stávající měření, a to kontinuálním zatížením namísto předchozího skokového. Díky kontinuálního zatížení budeme moct snížit nejistotu výsledků vyvolávající creep aortální tkáně. Současně bude tým moci stanovit kontinuální průběh objemové stlačitelnosti v závislosti na velikosti zatížení. Druhým cílem dílčího projektu je zjistit schopnost konstitutivních modelů doplněných o stlačitelnou složku, reflektovat měnící se objemovou změnu. Posledním cílem je provést parametrickou studii při MKP simulaci radiální zkoušky zkoumající vliv tření mezi styčnými plochami a vzorkem s ohledem na kvalitu fitu a materiálové parametry, včetně objemové tuhosti. 10) Navrhovaný 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. Přípustná velikost deformací však v literatuře nebývá blíže specifikována. Proto cílem projektu je stanovení praktických doporučení pro validaci výsledných posuvů, deformací a napětí z korotačního algoritmu. Tato doporučení vyplynou ze série testovacích úloh při srovnání výsledků z implementovaného korotačního algoritmu s výsledky z implementovaného plně nelineárního algoritmu, popřípadě komerčního řešiče, experimentu, nebo analytického řešení. 11) Dílčí projekt se zaměřuje na oblast kompozitních materiálů, v rámci kterých se bude řešitelský kolektiv specializovat na metodiku detekce a následné charakterizace příčných trhlin v CFRP materiálech s vrstvami kladenými v rovinách 0/90. Iniciace trhlin ve vrstvách, jejichž vlákna jsou orientována kolmo k působícímu zatížení, je ovlivněna řadou faktorů, mezi které patří zejména poloha těchto vrstev vzhledem ke střednicové rovině desky či charakter zatížení. Díky výrazné anizotropii jednotlivých vrstev je možné očekávat značnou variabilitu v charakteru signálu akustické emise, původem ze vznikající či šířící se trhliny v příčně orientované lamině. Cílem navrhovaného dílčího projektu je s využitím vzorků, zahrnujících specifickou skladbu 0/90 lamin, co do nejvyšší míry charakterizovat povahu a charakter odezvy iniciace a následného šíření uvedeného druhu trhlin ve smyslu detekovaného signálu akustické emise. K uvedeným účelům bude využita jak standardní forma metody akustické emise, tak i její specializovaný derivát, a to konkrétně modální akustická emise. 12) Téma předloženého projektu se zaměřuje na určení tlumení vybraných kovových materiálů, modelování tlumení materiálů v rotorových soustavách a měření odezvy u experimentálně navržené rotorové soustavy. Výzkum bude probíhat v oblasti experimentálních měření a počítačových simulací. Projekt podporuje téma disertační práce studenta, kterým je dynamika rotorů s hydrodynamickým ložiskem mazným magneticky citlivou kapalinou. Plánovaným cílem projektu je realizace experimentálních měření, a to měření poměrného útlumu, konstrukční úpravy rotorové soustavy a měření odezvy na rotoru a tvorba počítačových programů pro vyhodnocení tlumení v materiálu a analýzu kmitání rotorových soustav.

doc. Ing. Martin Fusek, Ph.D.
doc. Ing. František Fojtík, Ph.D.
prof. Ing. Karel Frydrýšek, Ph.D., FEng.
prof. Ing. Radim Halama, Ph.D.
doc. Ing. Zdeněk Poruba, Ph.D.
doc. Ing. Pavel Maršálek, Ph.D.
doc. Ing. Michal Šofer, Ph.D.
Ing. Anna Tošková
Ing. Anna Tošková
Ing. Daniel Čepica
Ing. Tomáš Halo
Ing. Patrik Eiba
Ing. Juraj Hronček
Ing. Lukáš Drahorád
Ing. Michal Molčan
Ing. Radek Páleník
Ing. Jan Hrček
Ing. Jakub Cienciala
Ing. Martin Mánek
Ing. Roman Potrok
Ing. Filip Zogata
Ing. Jaroslav Prajka
Ing. Anilraj Sudhakar
Behrad Zanganeh
Ing. Bhuvanesh Govindaraj
Ing. Fatih Sari
Bc. Ajay Vignesh Natarajan
Bc. Jakub Konvička
Bc. Tomáš Petkov
Bc. Radim Petkov
Bc. Martin Velička
Bc. Martin Zatloukal
Bc. Martin Groh
Bc. Šimon Kurečka
Bc. Filip Lysek
Bc. René Souček
Bc. Jakub Šrom
Bc. Ladislav Vaněk
Bc. Pavel Vavrečka
Bc. Patrik Vičánek
Bc. Vojtěch Wantula
Ajay Krishnan Gopalakrishnan
Ing. Kateřina Vlčková
Ing. Michal Kořínek
Ing. Radek Vitásek
Ing. David Schwarz
Ing. David Rybanský
Ing. Martin Šotola
Bc. Filip Georgiovský
Michal Barnovský
Bc. Adam Gladiš
Ing. Anna Tošková
Ing. Anna Tošková
Ing. Anna Tošková

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:
- 10x publikované/odeslané/akceptované časopisecké články s IPF
- 10x publikované/odeslané/akceptované časopisecké články nebo příspěvky na konferenci uvedené v databázích WoS nebo SCOPUS,
- 5x odevzdaná/obhájená disertační práce,
- 10x odevzdané/obhájené diplomové práce,
- 3x funkční vzorek

Harmonogram řešení projektu:
jaro 2024 – návrh a plán experimentální a výpočetní činnosti, studium odborných zdrojů,
léto 2024 – příprava experimentů, tvorba výpočetních modelů,
podzim 2024 – realizace měření a vyhodnocení dat, realizace výpočtů,
zima 2024 – diskuze výsledků, prezentace výsledků, zhodnocení projektu.