Rozvoj výpočtového a experimentálního modelování v aplikaci na vybrané úlohy technické praxe

SP2016/145

Ličková Dagmar Ing. Mgr., Ph.D.

01. 01. 2016 - 31. 12. 2016

Podrobný popis rozložení mechanických veličin (napětí, plastická deformace, apod.) v reálných součástech je v technické praxi často vyžadovaným parametrem. Z důvodu praktické nemožnosti měření těchto veličin v některých případech je snahou tyto hodnoty získávat metodami matematického modelování. V této oblasti jsou řešena témata: - Numerická analýza různých typů šroubových spojení. - Aplikace techniky rozkladu na substruktury v kombinaci s kontaktním problémem. - Modelování textilního anizotropního kontinua v interakci s kapalinou. - Výpočtová analýza kinematických a dynamických parametrů vozidla SCX. - Řešení lineárních, nelineárních a pravděpodobnostních úloh nosníků na pružném podkladu a řešení lineárních nelineárních a pravděpodobnostních úloh v tahu/tlaku. - Biomechanika - pevnostní analýzy implantátů pro vnitřní a zevní fixaci (kruhové fixátory, dlahy, minidlahy, hřeby, šrouby a dráty) ve spolupráci s lékaři (FNO) a průmyslem (MEDIN Group). - Deformační a napěťové stavy v zemské kůře. Pohyby v litosféře způsobené teplotními, slapovými a meteorologickými jevy. Aplikace analytických a numerických metod. - Pevnostní a deformační analýza soustavy těsnění a hydromotoru. Vliv tepelného zatížení, předpětí, stochastických vlivů. - Řešení úlohy kroucení nekruhových průřezů pomocí MKP. - Adaptivní algoritmy MKP (h-metoda a p-metoda). - MKP analýza dynamických vlastností průmyslové pračky FX135. - Verifikace vybraných energetických kritérií nízkocyklové únavy na datech oceli 316L. - Numerická analýza chování rámu elektromobilu v rámci projektu SCX . - Metodika praktické analýzy vlivu vrubu na únavovou životnost pro použití na základě výsledků MKP analýzy Navrhovaný projekt se zaměřuje také na rozvoj a aplikaci experimentálních metod. Neustále se zvyšující nároky na kvalitu výrobků v různých oblastech strojírenství jsou podnětem ke kontinuálnímu rozvoji nedestruktivních metod. Kromě klasických přístupů mechanického zkoušení bude tedy aplikována akustická emise, která v poslední dekádě zažívá nebývalý rozvoj a uplatnění jak v oblasti výzkumné, tak v oblasti průmyslových aplikací nejrůznějšího druhu. Výčet řešených experimentálních témat: - Pokračování výzkumu únavového chování oceli 316L při konstantní amplitudě deformace. - Digitální vyhodnocení dat získaných z fotoelasticimetrických a fotoplastických měření. - Nalezení metodiky pro detekci různých typů porušení u zapouzdřených vrstvených kompozitů pomocí metody akustické emise. - Biomechanika - vývoj přístroje na měření rozsahu krční páteře. - Biomechanika – experimentální vývoj implantátů pro vnitřní a zevní fixaci, statické a dynamické zatěžování. - Experimentální ověření průběhu kontaktního tlaku na těsnění hydromotoru. - Experimentální testování chování interakce podloží a konstrukce na pružném podkladu vykazující linearity nebo nelinearity. - Návrh přípravku pro testování automobilového podvozku. - Vyhodnocení materiálových parametrů při dynamickém zatěžování. - Zprovoznění teplotní komory pro výzkum mechanických vlastností za definované teploty. Teplotní komora bude využíváná pro výzkum napěťově deformačního chování konstrukčních materiálů i v následujících projektech specifického výzkumu pracoviště. Pro studenty bude již čtvrtým rokem uspořádána studentská soutěž s firmou Continental Automotive. Bude nově zahájena již v prvním ročníku navazujícího studia a ukončena ve druhém ročníku oboru Aplikovaná mechanika. Řešeny jsou úlohy z praxe (experimentální modální analýza -> výpočtová analýza -> optimalizační analýza) součásti s ohledem na její životnost. 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. Navrhovaný postup řešení je zřejmý z harmonogramu plánovaných prací: 1. Etapa (leden-březen 2016) A) Experimentální část: - Měření mechanických vlastností textilních vzorků. - Vyhodnocení únavových zkoušek jak na hladkých a vrubovaných vzorcích. Vytvoření materiálové databáze tří druhů vybraných materiálů (2 x aluminium, 1 x ocel) využívaných při konstrukci letadel. - Vytvoření základní struktury programu pro měření na zkušebním zařízení pro realizaci Hopkinsonova testu. Osazení zkušebního zařízení potřebnou měřicí aparaturou a mechanickými prvky. - Ověřování chování interakce konstrukcí s podložím pro modely ohybu a modely tahu/tlaku. - Příprava modelových a testovacích úloh a vytvoření koncepce zkušebního zařízení na fotoelasticimetrické a fotoplasticimetrické měření. Průzkum trhu a dostupného měřicího vybavení. - Výroba a testování měřící aparatury pro analýzu spojité emise. - Návrh přípravku pro realizaci zkoušek zapouzdřených vrstvených kompozitů. - Technická specifikace zakázky pro nákup teplotní komory. - Příprava studentské soutěže - výběr vhodného zadání. B) Numerická část: - Studium problému numerické analýzy vybraných typů šroubových spojení, tvorba geometrických a konečnoprvkových modelů vybraných typů šroubových spojů. - Dokončení disertační práce Ing. Semenové na téma Modelování substruktur s kontakty. - Studium problematiky modelování textilního anizotropního kontinua v interakci s kapalinou. - Rešerše stávajícího stavu přístroje na měření rozsahu krční páteře. - Rešerše v oblasti vozidlových náprav a zavěšení kol pro vozidlo SCX. Zkoumání na různé úrovni rozlišitelnosti modely vozidel a možností MBS s využitím softwarového produktu ADAMS. - Základní pevnostní výpočty navrženého rámu na základní mezní stavy automobilu SCX. Optimalizace rámu na základě získaných výsledků. - Ideový návrh přípravku pro zkoušení pevnostních a únavových vlastností podvozků automobilů. Kontrola kinematiky a statické pevnosti. Optimalizace konstrukce. - Analytické řešení konstrukcí na pružném podkladu. - Analytické řešení soustavy těsnění hydromotoru. - Analytické řešení mechanických dějů v litosféře planety Země. - Vytvoření koncepce a vývojového diagramu výpočetního nástroje pro zpracování experimentálních dat získaných z experimentálních fotoelasticimetrických a fotoplasticimetrických měření. 2. Etapa (duben-červen 2016) A) Experimentální část: - Měření mechanických vlastností textilních vzorků. - Rozbor problematiky rychlých dějů z pohledu zkušebnictví. Příprava testovacího experimentálního plánu určeného k ověření funkčnosti zkušebního zařízení. Ověření funkčnosti a naladění zkušebního zařízení jak z pohledu hardwarové, tak z pohledu softwarové stránky. - Statické testování implantátů v biomechanice vnitřní fixátory. - Vytvoření technické dokumentace zkušebního zařízení (fotoelasticimetrické a fotoplasticimetrické měření) na základě provedených návrhů a úprav s využitím dostupného vybavení a polariskopu. Návrh měřicích zařízení s možností využití telemetrie a návrh způsobu vyhodnocení dat z měření. Průzkum trhu a zajištění dodavatelů potřebných zařízení. - Řešení problematiky vhodného výběru snímače akustické emise včetně návrhu modifikace pro detekci akustické emise generované plastickou deformací. - Příprava nákupu teplotní komory. - Provedení experimentální modální analýzy - součást dodaná firmou Continental Automotive. B) Numerická část: - Ladění modelů a výpočty mechanických veličin s ohledem na matematický/fyzikální přístup k modelování pomocí MKP – implic/explicit, vliv uvažovaných nelinearit – kontakty, plasticita, možnost realizace v různých SW balících, typy závitů a vliv tvaru šroubů a matic. - Modelové úlohy vztahující se k problematice modelování textilního anizotropního kontinua v interakci s kapalinou. - Návrh přístroje na měření rozsahu krční páteře. - Za účelem zkoumání dynamického chování vozidla se musí: 1. vytvořit model hnacího ústrojí vozidla (model pohonu, převodovek, náprav, zavěšení, kol, pneumatik, apod.), 2. udělat model tratě pro jízdu vozidla (výškový profil tratě, definovat křivost oblouku, apod.) a 3. navrhnout dynamické stavy, které jsou závažné pro provoz vozidla. - Návrh základní metodiky pro řešení problému únavy na leteckých konstrukcích s využitím MKP. Ověření na vybraném konstrukčním dílu. Komparace s experimentálně získanými daty. - Finální výpočty navrženého rámu automobilu. Verifikace a validace. - Finální návrh experimentální přípravku. Konečné numerické ověření funkčnosti zařízení. - Numerické řešení konstrukcí na pružném podkladu. - Numerické řešení soustavy těsnění hydromotoru. - Numerické řešení mechanických dějů v litosféře planety Země. - Vytvoření programu pro zpracování získaných obrazů izoklinných a izochromatických dat a jejich kombinací v závislosti na použité metodě vyhodnocení. Snaha o zahrnutí vybraných modelů plasticity do metodiky vyhodnocení. - Analýza stávajícího konstrukčního řešení součásti dodané firmou Continental. 3. Etapa (červenec-září 2016) A) Experimentální část: - Měření mechanických vlastností textilních vzorků s konkrétními cíli. - Výroba a testování přístroje na měření rozsahu krční páteře. - Příprava testovacího plánu určeného pro testy a následné vyhodnocení materiálových vlastností při rychlých dějích. Provádění ostrých testů na různých materiálových vzorcích. - Dynamické testování implantátů v biomechanice zevní fixátory. - Sestavení měřicího zařízení, kompletace přípravků pro konkrétní měřicí úlohy (fotoelasticimetrické a fotoplasticimetrické měření). Osazení zkušebního zařízení pořízenými snímači. Připojení snímačů na vyhodnocovací jednotky a jejich oživení. Uvedení zkušebního zařízení do chodu. - Testování aparatury pro analýzu spojité emise na sériích vzorků zapouzdřených vrstvených kompozitů s cílem získat komplexní datový soubor pro vybrané typy porušení integrity tělesa (delaminace vrstev kompozitu, plastické tečení vrstvy, atd.) - Realizace zakázky pro pořízení teplotní komory. B) Numerická část: - Zdokonalení modelů a výpočty mechanických veličin s ohledem na ohledem na matematický/fyzikální přístup k modelování pomocí MKP – implic/explicit, vliv uvažovaných nelinearit – kontakty, plasticita, možnost realizace v různých SW balících, typy závitů a vliv tvaru šroubů a matic. - Studium variantních řešení textilního anizotropního kontinua v interakci s kapalinou. - Provedení MBS se zaměřením na podélnou dynamiku (přímá jízda - jízdní odpory, jízdní výkony, brždění, zrychlování, apod.), směrovou, jízdní stabilitu a kmitání vozidla SCX s navrženým zavěšením kol. - Pravděpodobnostní řešení konstrukcí na pružném podkladu. - Pravděpodobnostní řešení soustavy těsnění hydromotoru. - Pravděpodobnostní řešení mechanických dějů v litosféře planety Země. - Práce na programu na zpracování obrazů izoklinných a izochromatických dat. Zapracování vhodné metodiky vyhodnocení. Vytvoření grafického rozhraní. Vytvoření metodiky vyhodnocení výsledků a jejich grafické zobrazení. - Samostatná práce studentů na optimalizaci konstrukčního řešení součásti dodané firmou Continental. 4. Etapa (říjen-prosinec 2016) A) Experimentální část: - Dokončení měření mechanických vlastností textilních vzorků s konkrétními cíli. - Vypracování manuálu a metodiky zkoušení na navrženém zařízení pro rychlé děje. Sumarizace výsledků a jejich vyhodnocení. - Únavové testování implantátů v biomechanice vnitřní a zevní fixátory. - Realizace testovacích experimentů na vytvořeném, modernizovaném zkušebním zařízení. Prověření možností a limitů zkušebního zařízení. Realizace experimentu při fotoelastickém a fotoplastickém měření. Zpracování výsledků měření. - Analýza a následná interpretace naměřených dat se zaměřením na identifikaci jednotlivých typů porušení integrity tělesa (akustická emise). - Zprovoznění teplotní komory. - Podpůrné experimenty na součásti dodané firmou Continental. B) Numerická část: - Tvorba dvou článků pro publikaci dosažených výsledků výzkumu možností matematického modelování šroubových spojení metodou konečných prvků v časopise s IF. - Modelování variantního řešení textilního anizotropního kontinua v interakci s kapalinou. - Kritické zhodnocení dosažených výsledků simulací ve vztahu k úrovni rozlišitelnosti použitého modelu vozidla. Zhodnocení vypočítané kinematické a dynamické parametry vozidla ve vztahu k jeho konstrukčnímu provedení. Inženýrská optimalizace vlastností subsystémů ve vozidle s cílem zlepšit jízdní vlastnosti automobilu. - Dokončení pravděpodobnostního řešení konstrukcí na pružném podkladu. - Dokončení pravděpodobnostního řešení soustavy těsnění hydromotoru. - Dokončení pravděpodobnostního řešení mechanických dějů v litosféře planety Země. - Testování vytvořeného výpočetního programu (na zpracování obrazů izoklinných a izochromatických dat) na nových experimentálně získaných datech. Provedení analytických a numerických výpočtů na modelech srovnatelných s realizovaným experimentálním řešením. Dokončení finální verze programu. Srovnání experimentálně vyhodnocených dat se známým vypočteným řešením. - Optimalizace konstrukčního řešení součásti dodané firmou Continental a vyhodnocení studentské soutěže. Řešitelský kolektiv se bude pravidelně scházet v průběhu řešení projektu. Očekávanými výstupy projektu jsou publikační (konferenční příspěvky, časopisecké publikace) a patentové. V souladu s předpisy VŠB-TUO budou podávány návrhy na přihlášky vynálezů přes Centrum transferu technologií.

Mgr. Magda Štěpánová
Ing. Josef Sedlák, Ph.D.
RNDr. Ivo Wandrol, Ph.D.
Ing. Luboš Pečenka, Ph.D.
Ing. Jakub Šmiraus, Ph.D.
Ing. Michal Kováčik, Ph.D.
Ing. Irina Semenova
Ing. Vojtěch Bajtek
Ing. Matěj Bartecký
Ing. Šárka Michenková, Ph.D.
Ing. Günther Theisz, Ph.D.
Ing. Radomír Bělík, Ph.D.
Ing. Martin Maťas
Ing. František Sejda
Bc. Jan Blokeš
Bc. Václav Kubín
Bc. Daniel Vlček
Ing. Miroslav Suchánek
Ing. Filip Zaoral
Ing. Zbyněk Paška, Ph.D.
Ing. Jakub Cienciala
Ing. Jiří Šmach, Ph.D.
Ing. Jan Ordelt
Ing. Pavel Hajdík
Ing. Václav Pavelka
Ing. Vojtěch Machalla
Bc. Jan Strakoš
Ing. Pavel Pavlíček
Bc. Jakub Weinhold
Bc. Ing. Robert Mališ
Ing. Jan Slovík
Bc. Filip Lužný
Bc. Tea Tutiashvili
Bc. Jakub Nesvadba
Bc. Jakub Sagáčik
Bc. Teimurazi Alelishvili
Ing. Jan Bzonek
Ing. Rostislav Labaj
Ing. Tomáš Ševčík
Bc. Radek Holub
Ing. Miroslav Nevřela
Ing. Alexandros Markopoulos, Ph.D.
prof. Ing. Radim Halama, Ph.D.
doc. Ing. Martin Fusek, Ph.D.
doc. Ing. Zdeněk Poruba, Ph.D.
doc. Ing. František Fojtík, Ph.D.
Ing. Petr Ferfecki, Ph.D.
Ing. Milada Hlaváčková, Ph.D.
doc. Ing. Jiří Podešva, Ph.D.
Mgr.Ing. Alena Bilošová, Ph.D.
Ing. Jaroslav Rojíček, Ph.D.
prof. Ing. Karel Frydrýšek, Ph.D., FEng.
doc. Ing. Michal Šofer, Ph.D.
Ing. Mgr. Dagmar Ličková, Ph.D.

Cíle:
1)Numerická analýza vybraných typů šroubových spojení
2)Aplikace metody rozkladu na substruktury u problému dynamiky turbínové lopatky
3)Modelování chování textilních vaků, naplněných kapalinou
4)Výpočtová analýza vozidla SCX (výpočtový model, jeho řešení, řešení pomocí MBS)
5)Řešení konstrukcí uložených na pružném podkladu je zaměřeno na úlohy ohybu a nově také úlohy tahu/tlaku (zděře, vruty, šrouby v biomechanice). Budou vyvinuty přípravky pro experimentální testy, rozvíjeny numerické algoritmy a analytické modely. Aplikace pravděpodobnostních přístupů.
6)V oblasti biomechaniky je zaměření na konstrukce a ověřování implantátů pro zevní fixaci a vnitřní fixaci pomocí Kirschnerových drátů, Schanzových šroubů, Herbertových šroubů, retrográdních, patních aj. hřebů, dále na dlahy pro malé a velké kosti člověka. Nástrojem řešení jsou numerické, analytické a experimentální metody. Vše v koordinaci s průmyslem a lékaři.
7)Problematika kontaktu mezi těsněním a válcem hydromotoru je stěžejní problematikou pohonů o velkých výkonech. Aplikace numerických, analytických a pravděpodobnostních přístupů a spojení s tepelným namáháním.
8)Problematika mikroseizmicity či seizmicity v litosféře planety Země. Bude řešeno rozborem a zahrnutím možných vlivů, kterými jsou převážně radiace ze slunce, slapové účinky od Měsíce a Slunce a také výkyvy v atmosféře. Pro tyto problémy jsou vyvíjeny různé modely založené na teoriích konstrukcí na pružném podkladu, numerickém ověřování a také sběru veřejně dostupných dat.
9)Aplikace deformační varianty MKP na úlohu kroucení nekruhových průřezů (Python)
10)Porovnání konvergence adaptivních algoritmů MKP u tlakové nádoby
11)Optimalizace uložení průmyslové pračky FX135
12)Zpracování nových experimentů oceli 316L a příprava pro výpočty
13)Provedení verifikační studie vybraných energetických kritérií nízkocyklové únavy
14)Vytvoření programu pro analýzu napěťových stavů při vyhodnocení dat získaných pomocí fotoelasticimetrických a fotoplastických měření
15)Adaptace metody akustické emise jako nástroje pro identifikaci a kvalitativní analýzu procesů porušení integrity tělesa v případě zapouzdřených vrstvených kompozitů.
16)Vývoj přístroje na měření rozsahu krční páteře dle požadavků odborného pracoviště FNSP
17)Návrh a zhodnocení konstrukčního návrhu rámu vozidla SCX z pohledu pevnostního při různých jízdních stavech, převážně mezních. Rovněž bude uvážena možnost homologace vozidla pro provoz na veřejných komunikacích.
18)Metodika praktické analýzy vlivu vrubu na únavovou životnost pro použití na základě výsledků MKP analýzy. Základním výstupem je navržení výpočtové metodiky (souhrn doporučení) pro využití MKP při provádění únavové kontroly nejen na leteckých konstrukcích. Ověření její platnosti bude provedeno na vybraném konstrukčním dílu letadla.
19)Návrh přípravku pro testování automobilového podvozku. Jednotlivé kroky se budou ubírat přes ideový návrh zkušebního přípravku, dále pak provedení kinematických, dynamických, pevnostních a únavových analýz a zpracováním dokumentace nutné k využívání přípravku.
20)Základem správných predikcí výpočtových modelů je znalost chování reálných materiálů při rychlých dějích. Jedním ze způsobů, jak lze identifikovat parametry nutné pro výpočtové modely je využití Hopkinsonova zařízení pro zjišťování chování materiálu při různých rychlostech deformace v tahové či tlakové oblasti. Vyhodnocení získaných naměřených dat. Hlavním cílem je instrumentace zkušebního zařízení, navržení a otestování metodiky měření.
21) Realizace studentské soutěže s firmou Continental Automotive.
Výstupy projektu:
Publikace na konferencích: 5x
Řešení problematiky v rámci diplomové práce: 7x
Funkční vzorek: 3x
Odeslaný článek do impaktovaného časopisu: 2x
Odeslaný článek do časopisu uvedeného v databázi SCOPUS: 5x
Kniha: 1x
Software: 1x