Aplikace pokročilých materiálových modelů v mechanice poddajných těles s podporou experimentálních metod

SP2015/180

Ličková Dagmar Ing. Mgr., Ph.D.

prof. Ing. Radim Halama, Ph.D.

01. 01. 2015 - 31. 12. 2015

Navrhovaný projekt se zaměřuje na vývoj materiálových modelů moderních konstrukčních materiálů a jejich aplikaci v pevnostních výpočtech součástí pro specifické oblasti průmyslu. Projekt navazuje na předchozí projekt specifického výzkumu pracoviště s názvem Aplikace numerických a experimentálních metod v oblasti mechaniky a biomechaniky. Vyšetřováno bude chování vybraných izotropních i anizotropních materiálů v pružné i pružně-plastické oblasti. Pro identifikaci materiálových parametrů z realizovaných mechanických zkoušek bude probíhat inverzním přístupem také s využitím numerických metod. I nadále se tedy bude pokračovat ve vývoji optimalizačních algoritmů (genetické algoritmy, náhodné algoritmy a další). Navrhovaný projekt se zaměřuje také na metodiku vyhodnocování životnosti v případě nízkocyklové únavy při víceosé napjatosti (multiaxiální únavy). Velká pozornost je věnována především deformačním kritériím. Ve spolupráci s Fakultní nemocnicí Ostrava, s Krajskou nemocnicí v Pardubicích, s Úrazovou nemocnici v Brně a Fakultní nemocnicí Olomouc řešit problematiku externích fixátorů Ilizarovova typu a také problematiku vnitřních fixátorů (hřeby, dlahy, šrouby). To vše pro potřeby modernizace produktů pro léčbu otevřených a komplikovaných zlomenin. Zevní fixátory kruhového typu jsou indikovány k léčení otevřených zlomenin II. a III. typu Tscherneho klasifikace, a to jak pro dolní, tak pro zlomeniny na horních končetinách. Jedná se o miniinvazivní osteosyntézu, která ke stabilizaci zlomenin používá tenkých Kirschnerových drátů obvykle průměru 1,8-2 mm, upevněných na stavebnicové kruhové konstrukci zevního fixátoru. Další indikací použití tohoto typu zevního fixátoru jsou zavřené tříštivé zlomeniny dlouhých kostí horní i dolní končetiny s rozsáhlým pohmožděním měkkých tkání zasahujících do kloubů - intraartikulární tříštivé zlomeniny AO klasifikace typu C. V rámci léčení poúrazových komplikací jsou zevní fixátory kruhového typu indikovány k léčení infikovaných i neinfikovaných pakloubů a k provádění artrodéz kolenního, hlezenního a loketního kloubu. Zevní fixátory kruhového typu jsou dále indikovány k léčení vrozených i získaných deformit končetin (pes equinového atd.) a k prodlužování končetin při jejich zkrácení nad 3 cm nebo při poúrazových osových deformitách. Indikace použití zevních fixátorů v úrazové chirurgii a ortopedii: 1. Otevřené zlomeniny II. a III. stupně 2. Zavřené zlomeniny III. a IV. Stupně 3. Infikované paklouby 4. Defektní paklouby - metoda komprese-distrakce 5. Prodlužování končetin 6. Artrodézy kloubů 7. Úprava deformit končetin Při řešení dané problematiky se budou používat experimentální i numerické přístupy (MKP). Dalším z cílových zaměření jsou konstrukce na pružném podkladu uložené částečně nebo úplně na pružném nebo pružně-plastickém podkladu. Dosavadní aplikace byly zaměřeny na teorii i praxi z pohledu strojařského, biomechanického, stavařského, hornického, geologického, vojenského, fyzikálního, matematického, programátorského. Řešeny byly lineární i nelineární úlohy přímých a křivých nosníků a rámů, desek, skořepin a objemových těles ve statice a dynamice (analytické a numerické přístupy, tvarová optimalizace, MKP, metoda konečných diferencí, pravděpodobnostní přístupy, vlastní či komerční software aj.). Dalším novým tématem je řešení problematiky správného navržení těsnění motorů (pevnostní, tuhostní a experimentální analýza). Rozvíjeny budou také experimentální metody pro optické stanovení průběhu napětí v tělese, zejména fotoelasticimetrická metoda a metoda ESPI. Předmětem výzkumu je problematika rychlých rázových úloh jednak bez a jednak s uvažováním vlivu okolního prostředí (vázané FSI analýzy). Výše uvedená problematika se týká poměrně širokého spektra aplikací technické praxe, příkladem jsou např. nárazové zkoušky automobilů (crash testy), proti-výbuchové bezpečností zařízení, apod. Úkolem je tvorba a srovnání různých přístupů výpočtů (jak diskrétních, tak kontinuálních modelů) a ověření jejich platnosti na vybrané úloze. 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. Důležitým tématem tudíž bude vývoj Hopkinsonova zařízení, jenž bude mít univerzální využití a to ve smyslu schopnosti měřit vliv rychlosti deformace v tahové i tlakové oblasti. 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 2015) A) Experimentální část: - návrh zkušebních vzorků a jejich výroba - úprava zkoumaných součástí, včetně výroby potřebných přípravků - realizace únavových testů v krutu (nerezová ocel 316L) - příprava experimentů s dlahami pro končetiny - příprava experimentu s pružným podkladem v aplikaci na uchycení fixátorů v biomechanice - příprava experimentů s pomocí metody SBRA (těsnění motorů) - příprava experimentů patního hřebu - realizace experimentu jako vstupní data pro nalezení vhodné metodiky zpracování obrazu izoklinných a izochromatických čar - příprava ideového návrhu zkušebního Hopkinsonova zkušebního stroje B) Numerická část: - příprava geometrických modelů v CAD software a jejich úprava v konečnoprvkových programech, tvorba sítě konečných prvků - studium problematiky vyhodnocování životnosti, sběr a zpracování materiálových dat - příprava MKP modelů hřebů a fixátorů - aplikace numerických metod při řešení úloh s pružným podkladem - příprava výpočtového modelu těsnění motoru - nalezení vhodné metodiky zpracování obrazu izoklinných a izochromatických čar s využitím dostupných nástrojů v programu Matlab, aplikace metody rozdílu smykových napětí na zpracovaná data - rešerše problematiky modelování rázových dějů v aplikaci na problematiku rázových zkoušek automobilů, rešerše zabývající se problematikou vázaných (FSI) úloh v aplikaci na problematiku bezpečnostních zařízení, tj. šíření výbuchových vln otevřených a uzavřených prostorech - tvorba testovacích fyzikálních a výpočtových modelů (diskrétních a kontinuálních) ve vhodném softwarovém prostředí, selekce a volba potřebných vstupních dat nutných pro simulace, testování na jednoduchých modelech, zhodnocení použitých postupů a návrh výsledné výpočetní strategie 2. Etapa (duben-červen 2015) A) Experimentální část: - realizace zkoušek mechanických vlastností - sestavení experimentů pro skutečné součásti, provedení prvních zkušebních testů - nastavení regulačních konstant pro únavové testy, jejich realizace a vyhodnocení - realizace experimentů s dlahami pro končetiny - realizace experimentu s pružným podkladem v aplikaci na uchycení fixátorů v biomechanice - realizace experimentů s pomocí metody SBRA (těsnění motorů) - realizace experimentů patního hřebu - realizace fotoelasticimetrického experimentu za použití průchozí rovinné fotoelasticimetrie, použití přímého a kruhového polarizátoru k získání obrazu izoklinných a izochromatických čar, konkrétní příklad - rozpracování ideového návrhu zkušebního stroje do technického řešení, tvorba výkresové dokumentace, volba snímačů a měřícího a softwarového vybavení B) Numerická část: - dokončení MKP modelů, odladění vhodného nastavení výpočtů - vyhodnocování únavové životnosti podle jednotlivých deformačních kritérií - tvorba MKP modelů hřebů a fixátorů - aplikace numerických metod při řešení úloh s pružným podkladem - tvorba výpočtového modelu těsnění motoru - aplikace získaných poznatků na konkrétním příkladu a srovnání s analytickým nebo numerickým výpočtem, shrnutí výsledků v diplomové práci - řešení reálných technických problémů spadajících do oblasti rychlých rázových dějů - tvorba diskrétního modelu simulujícího nárazovou zkoušku automobilu - řešení a vyhodnocení kontinuálního modelu simulujícího nárazovou zkoušku automobilu - řešení modelu popisujícího chování bezpečnostního prvku při výbuchovém ději, srovnání s dostupnými výsledky z reálných testů 3. Etapa (červenec-září 2015) A) Experimentální část: - realizace testů na reálných součástech a jejich vyhodnocení - vyhodnocení experimentů s dlahami pro končetiny - vyhodnocení experimentu s pružným podkladem v aplikaci na uchycení fixátorů v biomechanice - vyhodnocení experimentů pomocí metody SBRA (těsnění motorů) - vyhodnocení experimentů patního hřebu - sestavení zkušebního Hopkinsonova zařízení, ladění a konstrukční úpravy, osazení měřicím zařízením, ladění softwarového vybavení B) Numerická část: - aplikace inverzních algoritmů pro identifikaci materiálových parametrů - příprava publikace výsledků studie predikce životnosti pomocí deformačních kritérií - výpočet MKP pro hřeby a fixátory - aplikace numerických metod při řešení úloh s pružným podkladem - výpočet MKP modelu těsnění motoru - testování funkčnosti zkušebního zařízení, provedení zkušebních testů a srovnání získaných výsledků s dostupnými údaji - konečné doladění zkušebního zařízení a jeho softwaru 4. Etapa (říjen-prosinec 2015) A) Experimentální část: - realizace případných doplňkových testů na reálných součástech i zkušebních vzorcích a jejich vyhodnocení - interpretace výsledků experimentů s dlahami pro končetiny - interpretace výsledků experimentu s pružným podkladem v aplikaci na uchycení fixátorů v biomechanice - interpretace výsledků experimentů pomocí metody SBRA (těsnění motorů) - interpretace výsledků experimentů patního hřebu - sumarizace všech výstupů z experimentů B) Numerická část: - interpretace výsledků MKP výpočtů - vyhodnocení MKP pro hřeby a fixátory - vyhodnocení aplikace numerických metod při řešení úloh s pružným podkladem - vyhodnocení MKP modelu těsnění motoru - sumarizace všech numerických výstupů Řešitelský kolektiv se bude pravidelně scházet v průběhu řešení projektu.

doc. Ing. Martin Fusek, Ph.D.
doc. Ing. František Fojtík, Ph.D.
Dr. Ing. Ludmila Adámková
Ing. Jaroslav Rojíček, Ph.D.
prof. Ing. Karel Frydrýšek, Ph.D., FEng.
Ing. Jakub Šmiraus, Ph.D.
Ing. Vojtěch Bajtek
Bc. Michal Stix
Bc. Jana Sklenářová
Ing. Matěj Bartecký
Ing. Šárka Michenková, Ph.D.
Ing. Günther Theisz, Ph.D.
Ing. Radomír Bělík, Ph.D.
Ing. Martin Maťas
Ing. František Sejda
Ing. Lukáš Faksa
Ing. Tibor Kállai
Ing. Lukáš Horňáček, Ph.D.
Bc. Václav Kubín
Bc. Daniel Vlček
Ing. Luboš Žilka
Ing. Miroslav Suchánek
Ing. Zbyněk Paška, Ph.D.
Ing. Kateřina Peterková
Bc. Michal Drozd
Ing. Jan Pravec
Bc. Lukáš Obzina
Bc. Miloslav Halák
Ing. Mgr. Dagmar Ličková, Ph.D.
prof. Ing. Radim Halama, Ph.D.

Plánované cíle projektu jsou následující:
-Na základě aktuálně řešených problémů technické praxe provést potřebné zkoušky mechanických vlastností při monotónním a cyklickém namáhání.
-Stanovení životnosti v multiaxiální únavě pro různé případy zatěžování pomocí deformačních přístupů.
-Konstrukce, vývoj a testování vybraných vnitřních fixátorů (dlahy, hřeby, šrouby).
-Konstrukce, vývoj a testování vybraných vnějších fixátorů (Ilizarovův typ).
-Řešení vybraných úloh konstrukce na pružném podkladu uložené částečně nebo úplně na pružném nebo pružně-plastickém podkladu (nosníky/rámy, desky, příp. další).
-U fotoelasticimetrie půjde o nalezení vhodné metodiky zpracování obrazu izoklinných a izochromatických čar. Aplikace metody rozdílu smykových napětí na zpracovaná data. Aplikace získaných poznatků na konkrétním příkladu a srovnání s výpočtem.
-Metoda ESPI bude aplikována na měření polí posuvů a přetvoření na reálných součástech automobilu (v kritických místech). Mimo jiné spolupráce s firmou ŠKODA AUTO a.s.
-Vytvoření a zpřesnění metodiky, nutné pro výpočtové modelování rychlých rázových dějů v pevných tělesech s aplikací na využití v průmyslu (v návaznosti na předchozí zkušenosti). Dále pak vytvoření koncepce Hopkinsonova zkušebního stroje a zahájení její vlastní realizace.

Při numerických simulacích bude používána metoda konečných prvků, metoda konečných diferencí a také pravděpodobnostní metoda SBRA. Při realizaci experimentů se pak využijí bohaté zkušenosti školitelů a dobré laboratorní zázemí pracoviště.

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.