Výpočtové a experimentální modelování se zaměřením na materiálový výzkum a biomechaniku

SP2017/136

Ličková Dagmar Ing. Mgr., Ph.D.

prof. Ing. Radim Halama, Ph.D.

01. 01. 2017 - 31. 12. 2017

Navrhovaný projekt se věnuje rozvoji výpočtového a experimentálního modelování se zaměřením na materiálový výzkum a biomechaniku. Prvním cílem projektu je pokračování výzkumu únavových vlastností a napěťově deformačního chování oceli 316L, tentokrát také při zvýšené teplotě. Pro získání maximálního množství dat z experimentů bude aplikována také metoda digitální korelace obrazu (přístroj Mercury RT). Dalšímení opěrných válců podstatně ovlivňuje velikost nejvíce namáhaného místa a rozložení napjatosti v kontaktu opěrného a p cílem je řešení kontaktu opěrného a pracovního válce válcovací stolice typu kvarto. Je známo, že tvar zakončracovního válce. Na základě zjištěných výsledků bude navrženo modifikované zakončení opěrného válce. Řešení napěťových polí při válcování bude rovněž zjišťováno v tvářených průsvitných modelech pomocí metody fotoplasticimetrie. Zpracování fotoplasticimetrických dat bude provedeno pomocí počítačového programu vytvořeného v dřívějších projektech SGS. Dále navrhovaný projekt řeší ladění konečnoprvkového modelu kovaného šoupátka na základě experimentálně zjištěných dat. Modální parametry budou získány modální zkouškou provedenou u výrobce šoupátka, ve firmě ARAKO, spol. s r.o. Cílem je zjistit, jaké úpravy konečnoprvkového modelu povedou k co největší shodě teoretického a experimentálního modelu. V neposlední řadě se bude jednat o získání a komparace materiálových parametrů při dynamickém zatěžování a simulace impaktu bateriového boxu vozidla SCX 3.5 – výzkum se zabývá zhodnocením pevnosti a funkčnosti bateriového boxu elektromobilu, určeného pro vozidlo SCX 3.5 generace. Bateriový box elektromobilu musí přenést zatížení, které vzniká v případě kolizní situace (havárie vozidla). Při havárii musí být zajištěna celistvost boxu, ale co je důležitější, nesmí dojít k porušení elektrických obvodů a baterií. Kdyby došlo k takové situaci, mělo by to závažné následky, které by mohly vést až k explozi a k následnému požáru. Práce se bude zabývat numerickými simulacemi, které by měly být v závěru komparovány s daty získanými z experimentálního ověření na prototypu bateriového boxu. Pozornost bude také věnována konstrukci uložené na lineárním a nelineárním podkladu (tečný i axiální směr, numerické modely, zpracování a provádění experimentů), biomechanice zevní a vnitřní fixace při osteosyntéze intraartikulárních, extraartikulárních a komplikovaných zlomenin malých a velkých kostí (dlahy, hřeby, šrouby, dráty, fixátory, tj. intraoseální i extraoseální). Spolupráce bude probíhat s lékaři FN Ostrava, Krajské nemocnice Pardubice (zpracování CT snímků, tvorba CAD a MKP modelů kostí, rozbor a měření zatížení, experiment, pevnostní analýza, stochastické modely, zavádění výsledků do praxe). Dalším z cílových zaměření jsou nelineární prutové konstrukce, geomechanika pohybu zemských desek. Problematika řešení těsnění hlav válců velkých motorů (numerické a stochastické modely, tepelné namáhání atp.) V rámci projektu budou vyvíjeny biomechanické a medicínské vybavení na základě požadavku aplikační sféry. Vývoj přístrojů bude konzultován s odpovídajícím lékařským pracovištěm. U přístrojů bude provedena pevnostní analýza a kontrola. Přístroje budou vyrobeny a následovně vyzkoušeny na odborném lékařském pracovišti. Navrhovaný projekt se zaměřuje na spolupráci s odbornými lékařskými pracovišti. Cílem je návrh přístrojů, které budou levné, snadno aplikovatelné na konkrétní pacienty a nebudou pacienty zatěžovat. Dalším tématem je detekce vybraných typů nespojitostí u ocelových plechů a kompozitních panelů s využitím modální akustické emise. Předmětem řešení je návrh a následná aplikace metodiky NDT zkoušení ocelových plechů a kompozitních panelů s využitím modální akustické emise. Metodika se bude zaměřovat na detekci nespojitostí, které se nejčastěji vyskytují u výše zmíněných struktur, s ohledem na jejich velikost, prostorovou orientaci a tvar. Pro studenty bude již pátým 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. Řešena bude úloha týkající se transportního systému Karakuri využívajícího k přepravě materiálu gravitace (experimentální analýza -> výpočtová analýza -> optimalizační analýza). 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: - Provedení průzkumu trhu ke zprovoznění teplotně mechanických zkoušek. - Měření mechanických vlastností textilních vzorků. - Metodika měření hluku. - Návrh zařízení a konzultace návrhu s odborným lékařským pracovištěm. - Vypracování literární rešerše: (i) mechanismů přenosu tepla, (ii) numerického řešení kontaktních úloh a (iii) optimalizace tvaru u válců válcovacích stolic. - Měření spojů bezhlavičkových (Herbertových) šroubů, testování dlah a hřebů pro proximální a distální části, metafýzy a epifýzy kostí. Vytrhávání šroubů z kosti. Statické a únavové testy implantátů. - Příprava a výroba zkušebních vzorků s vybranými typy umělých vad. - Seznámení se zařízením Karakuri. B) Numerická část: - Modelové úlohy mechanických vlastností textilních vzorků. - Způsoby provádění počítačových simulací při měření hluku. - Srovnání numerického a analytického výpočtu Hertzova kontaktu dvou válců. - Identifikace vhodných konstitutivních rovnic pro popis dynamického chování materiálu. - Rozpracování teorie potřebné pro řešení, tzn. projít normy a předepsané postupy vztahující se k realizaci tzv. impaktní zkoušky bateriového boxu. Seznámit se s geometrií a technologií výroby bateriového boxu pro elektromobil SCX 3.5 generace. Vytvoření simulačního modelu. Sestavení souboru potřebných vstupních dat. - Numerické řešení pro analytické odvození deformačních a napěťových stavů příhradových konstrukcí (malé a velké deformace). Aplikace přímých a stochastických metod. - Rešerše stávajícího stavu poznání v oblasti fotoplasticimetrie. Stanovení metodiky řešení napěťových polí v procesu válcování. - Návrh přípravku pro zkoušení zkušebních vzorku v oblasti vysokocyklové únavy s předpětím vyvozeným vnitřním přetlakem. - Zadání Studentské soutěže s firmou Continental Automotive. 2. Etapa (duben-červen 2017) A) Experimentální část: - Zkompletování sestavy pro realizaci zkoušek za zvýšené teploty, návrh experimentu. - Realizace výpočetních simulací kontaktního problému válcovací stolice, a to pomocí různých výpočetních systémů (například ANSYS, COMSOL, MatSol,…). - Návrh a praktická realizace měřícího řetězce pro generaci, akvizici a následné vyhodnocení signálu (akustika). B) Numerická část: - Tvorba modelu biomechanického a medicínského vybavení, numerické simulace metodou konečných prvků. - Realizace výpočetních simulací kontaktního problému válcovací stolice, a to s různými kontaktními algoritmy (metoda penalty, metoda Lagrangeových multiplikátorů a rozšířená Lagrangeova metoda). - Sestavení algoritmu pro zpracování získaných dat a správnou identifikaci materiálových parametrů. - Provedení potřebných numerických simulací ve vhodném MKP software (elektromobil SCX 3.5). Vyhodnocení získaných informací. Srovnání výsledků modelu s dostupnými experimentálními daty. Vyvození závěrů a doporučení. - Řešení napěťových a deformačních stavů soustavy implantát a kost (malé a velké kosti). Aplikace přímých a stochastických metod. - MKP modelování soustavy hlava, válec, těsnění a šrouby u velkých motorů. - Stanovení vývojového diagramu k určení napětí ve válcovaných modelech metodou fotoplasticimetrie. Analýza kompatibility a možnosti použitelnosti vytvořeného software pro oblast fotoelasticity s oblastí fotoplasticity. - Zpracování dokumentace zkušebního přípravku na vyvození vnitřního přetlaku a návrh metodiky zkoušení. - Analýza stávajícího stavu vybrané pozice zařízení Karakuri. 3. Etapa (červenec-září 2017) A) Experimentální část: - Realizace ověřovacích experimentů v teplotní peci. - Měření na konkrétním díle - mechanických vlastností textilních vzorků. - Realizace experimentu - měření hluku. - Výroba přístrojů, testování ve spolupráci s odborným lékařským pracovištěm. Příprava patentové přihlášky. - Zkoumání vlivu teplotních polí na napjatostní a deformační analýzu okrajové části opěrného válce. - Testování navrženého měřícího řetězce na sérii umělých vad u ocelových plechů a kompozitních panelů. - Sestavení a úprava měřícího zařízení pro fotoplasticimetrii. Příprava experimentu a přípravků k realizaci válcovacího procesu na opticky citlivých materiálech. - Výroba a sestavení zkušebního přípravku pro zkoušky VC únavy a jeho testování. B) Numerická část: - Provedení optimalizační studie okrajové části opěrného válce, která je složena z přímých tvarů. - Realizace MKP simulací vzájemné interakce deskových vln a vybraných typů umělých vad. - Nelineární úlohy konstrukcí na pružném podkladu (linearity, nelinearity, MKP, MKD, komplikované unilaterální podklady). Nové modely podkladů. - Geomechanika astenosféry planety Země (deformační a napěťové stavy). Přímé a stochastické přístupy řešení, MKP. - Vytvoření programové podpory pro analýzu napěťových polí v plasticky deformovaném tělese při tváření materiálu. 4. Etapa (říjen-prosinec 2017) A) Experimentální část: - Vyhodnocení zkoušek při telotně mechanickém namáhání (ocel 316L). - Zpracování výsledků (biomechanické a medicínské vybavení). Příprava patentové přihlášky. Tvorba článku do odborného časopisu. - Provedení optimalizační studie okrajové části opěrného válce, která je složena z přímých a křivočarých tvarů. - Realizace fotoplasticimetrického měření na sestaveném měřícím zařízení. Záznam dat z tvářecího procesu válcování nebo protlačování. - Příprava dat pro následné zpracování v numerické části. Realizace sady experimentů v oblasti VC únavy za použití přípravku, který vnese do zkušebního vzorku předpětí vyvozené vnitřním přetlakem. - Analýza a následná interpretace naměřených dat na sérii umělých vad u ocelových plechů a kompozitních panelů. Komparace naměřených experimentálních dat s daty získanými prostřednictvím MKP simulací konkrétních případů. B) Numerická část: - Srovnání provedených optimalizačních studií tvaru okrajové části opěrného válce. - Řešení napěťových polí pomocí metody fotplasticimetrie za použití vytvořené programové podpory. - Dokončení optimalizace řešené úlohy 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. Publikace na konferencích: 8x Řešení problematiky v rámci diplomové práce – 10x Dokončení disertační práce – 1x Funkční vzorek – 1x Odeslaný článek do impaktovaného časopisu – 1x Odeslaný článek do časopisu uvedeného v databázi SCOPUS - 2x

Mgr. Magda Štěpánová
Ing. Jakub Machálek
Ing. Josef Sedlák, 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
Ing. Martin Nevřela
Ing. Lukáš Horňáček, Ph.D.
Ing. Filip Zaoral
Ing. Zbyněk Paška, Ph.D.
Ing. Jakub Cienciala
Ing. Jiří Šmach, Ph.D.
Ing. Petr Gál
Ing. Daniel Antoš, Ph.D.
Ing. Pavel Hajdík
Ing. Václav Pavelka
Ing. Vojtěch Machalla
Ing. Pavel Pavlíček
Ing. Michal Kořínek
Bc. Ing. Robert Mališ
Ing. Jan Slovík
Bc. Filip Lužný
Ing. Radek Vitásek
Bc. Jaroslav Helštýn
Bc. Michal Krmášek
Ing. Marek Konečný
Bc. Ondřej Hurník
Bc. Petr Matějů
Ing. Vojtěch Řepa
Ing. Lukáš Hertl
Ing. Ondřej Skoupý
Bc. Jan Chrobok
Bc. Pavel Pergler
Ing. Radek Páleník
Bc. David Bolek
Ing. Michal Molčan
Ing. Daniel Rohel
Ing. Petr Zondlak
Ing. Kateřina Vlčková
Bc. Jakub Sagáčik
Ing. Jan Bzonek
Ing. Rostislav Labaj
Ing. Tomáš Ševčík
Bc. Radek Holub
Ing. Miroslav Nevřela
Ing. Tomáš Brzobohatý, Ph.D.
Ing. Alexandros Markopoulos, 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.
Ing. Michal Weisz, Ph.D.
doc. Ing. Michal Šofer, Ph.D.
doc. Ing. Pavel Maršálek, Ph.D.
Ing. Mgr. Dagmar Ličková, Ph.D.
prof. Ing. Radim Halama, Ph.D.

1) Vyhodnocení napěťově deformačního chování oceli 316L při zvýšené konstantní teplotě.
2) Analýza rozložení napjatosti v kontaktu opěrného a pracovního válce pomocí metody konečných prvků. Simulace budou provedeny na modelové úloze s několika typy tvarů zakončení opěrných válců.
3) Získání napěťových polí metodou fotoplasticimetrie v plasticky deformovaném materiálu při stavech vznikajících při procesech tváření materiálů.
4) Návrh přípravku pro testování zkušebních vzorků s vnitřním přetlakem a realizace experimentů v oblasti vysokocyklové únavy materiálů.
5) Identifikace modálních parametrů kovaného šoupátka A42 výpočtem a experimentálně.
6) Simulace impaktu bateriového boxu vozidla SCX 3.5.
7) Vyhodnocení a publikace výsledků experimentálního řešení a numerického modelování v biomechanice zevní a vnitřní fixace.
8) Dokončení disertační práce na téma nelineární úlohy nosníků na pružném podkladu.
9) Vývoj, návrh, pevnostní kontrola a výroba biomechanického a medicínského vybavení.
10) Návrh metodiky detekce vybraných typů nespojitostí u ocelových plechů a kompozitních panelů s využitím modální akustické emise.
11) Úspěšné konání Studentské soutěže s Continental Automotive.