Výpočtové a experimentální modelování v aplikované mechanice a biomechanice

SP2025/048

Fusek Martin doc. Ing., Ph.D.

01. 01. 2025 - 31. 12. 2025

Předkládaný projekt navazuje ve vybraných oblastech na předchozí SGS projekt Katedry aplikované mechaniky FS VŠB-TUO. Získané zkušenosti studentů z řešení dílčích úloh projektu povedou ke zvýšení jejich odborné úrovně a po úspěšném absolvování studia i k vyššímu uplatnění na trhu práce. Projekt je rozdělen do devíti dílčích podoblastí, a to z důvodu, že oblast aplikované mechaniky zahrnuje velmi širokou škálu aplikačních problémů (klasická mechanika, biomechanika, výzkum materiálů aj.). Tyto dílčí podoblasti zahrnují: 1) Dílčí projekt se zaměřuje na návrh a zpracování dokumentace přípravku pro měření zbytkových napětí odvrtávací metodou. Bude proveden návrh a zpracování dokumentace přípravku pro měření zbytkových napětí odvrtávací metodou dle požadavků normy ASTM E837 v kombinaci s vhodným zařízením pro snímání deformace na principu DIC. Bude provedena výroba, sestavení, uvedení do provozu a otestování přípravku. Vyhodnocení přesnosti odvrtaného otvoru po aplikaci přípravku a bez něj. Testování přípravku při simulaci odvrtávání dle uvedené metodiky. 2) Druhý dílčí projekt se zabývá zkouškami vysokocyklové únavy ve střídavém tahu tlaku a krutu u hladkých vzorků z materiálu 11523.1. V rámci výzkumného úkolu budou zhotoveny zkušební vzorky a provedeny zkoušky vysokocyklové. Bude provedeno zpracování výsledků a získání SN křivek hladkých vzorků. Tyto křivky poslouží jako vstupní data pro vyhodnocení vlivu vrubu dle metodiky FKM. Posledním cílem bude srovnání výsledků experimentů u dříve realizovaných zkoušek na vrubovaných vzorcích a výsledků získaných FKM metodou. 3) Následující dílčí projekt se zaměřuje na několik cílů v rámci biomechaniky a nosníků na pružném podkladu. Bude rozšířena již existující databáze CAD/FEM anatomických modelů lidských kostí včetně zpracování a rozložení jejich hustoty, modulu pružnosti a dalších vlastností. Tyto modely budou využity v biomechanice. Dalším cílem je provedení numerického modelování různých typů fixátorů pro léčbu různého stupně komplikovaných zlomenin. Pro řešení implantátů používaných v traumatologii, ortopedii a chirurgii bude využita zkušební laboratoř. Další cíl zahrnuje experimentální a numerický výzkum nelineárních příhradových a nosníkových konstrukcí včetně snap-through efektu a modifikaci stávajícího zkušebního zařízení pro testy nelineárního von Misesova nosníku. Posledním cílem je provedení modální analýzy kostí člověka a zvířat ke zjištění jejich modálních vlastností. 4) Navrhovaný dílčí projekt se zaměřuje na testování sady vzorků při dynamickém zatížení. K testování bude využita Hopkinsonova zkušební tyč a trhací stroj. Vzorky budou vytvořeny metodou 3D tisku z materiálu PETG. Cílem projektu je popis chování daného materiálu při dynamickém zatížení. 5) První část dílčího projektu se zaměřuje na únavové zkoušení vzorků s obvodovým svarovým spojem a vzorků základního materiálu. Bude zkoumán vliv svaru na únavovou pevnost a životnost. Ke stanovení životnosti bude použito Jiangovo kritérium. Testování proběhne na čtyřech zátěžných cestách (tah-tlak, krut, proporcionální tah-tlak a krut a neproporcionální cesta). První dvě zmíněné budou použity ke stanovení parametrů Jiangova kritéria, na dalších dvou bude nastavený matematický model ověřen. Obdobně mohou být zpracována data z únavového testování základního materiálu. Cílem je nastavení matematicky fyzikálního modelu pro použití Jiangova kritéria na vzorcích s obvodovým svarem a vzorcích základního materiálu. Druhá část dílčího projektu bude zaměřena na využití Jiangova kritéria pro stanovení životnosti vzorků vyrobených 3D tiskem. Parametry kritéria budou zvoleny na základě materiálových zkoušek v tahu-tlaku a v krutu. 6) Navrhovaný dílčí projekt se zaměřuje na nízkocyklovou únavu vybraných ocelí s aplikací v jaderné energetice a automotive. Ačkoliv je jev cyklického tečení (ratcheting) dobře znám a v technické praxi je cílem se mu vyhnout, je zapotřebí jeho zkoumání s ohledem na potřebu správného popisu napěťově-deformačního chování v elastoplastické lomové mechanice (predikce při havarijních stavech). Výzkum akumulace plastické deformace a životnosti se zaměří na vliv středního napětí, amplitudy napětí. U deformačně řízených zkoušek potom na efekt počáteční plastické deformace na nízkocyklovou únavu při jednoosém namáhání. Cílem dílčího projektu je zejména získat experimentální data pro oceli 42CrMoS4+QT a 08CH18N10T, případně další materiály. Realizovány budou zkoušky při tvrdém i měkkém jednoosém namáhání s cílem vyhodnotit životnost a napěťově-deformační chování s využitím jazyka Python. Vybrané zkoušky budou výpočtově modelovány. Výsledky zkoušek oceli 42CrMoS4+QT budou sloužit jako vstup do soutěže FABEST pořádané v rámci mezinárodního projektu FABER (EU Cost Action). 7) Měření modálních vlastností (rezonančních frekvencí, vlastních tvarů a útlumu) je klíčové pro posouzení dynamického chování nádrží na vodu. Tyto vlastnosti ovlivňují stabilitu konstrukce při různých dynamických zatíženích, jako jsou zemětřesení, vítr nebo provozní vibrace. Cílem projektu je provést experimentální a numerickou analýzu modálních vlastností prototypu nádrže s novým technickým řešením horní výztuhy nádrže při provozních podmínkách. Hlavní cíl je rozdělen do čtyř dílčích cílů: experimentální měření modálních vlastností (identifikovat vlastní frekvence, vlastní tvary a útlum nádrže za různých provozních podmínek pro dvě technické řešení horních výztuh), numerická simulace (vytvořit validovaný numerický model pro analýzu modálních vlastností nádrže pro dvě technické řešení horní výztuhy), porovnání výsledků (vyhodnotit možnosti predikce experimentálního měření pomocí numerického modelu, vyhodnotit přínos nového technického řešení výztuhy horní výztuhy), doporučení pro zlepšení stability (navrhnout případné úpravy konstrukce pro zvýšení dynamické stability). 8) Navrhovaný 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. V návaznosti na předchozí dílčí projekt bude ověřena nebo vyvrácena hypotéza, že za předpokladu lineárně elastického chování materiálu, tedy přibližně do dosažení meze kluzu, dává korotační algoritmus prakticky stejné výsledky jako plně nelineární, přičemž velikost poměrných deformací nehraje roli. Dále budou experimentálně ověřeny již získané numerické výsledky čtyřbodového ohybového testu plastového hranolu a reálnost předpokládaného lineárně elastického materiálového modelu. Cílem projektu je publikovat nový, otestovaný algoritmus korotační formulace pro objemové konečné prvky včetně ukázky jeho vhodných výpočetních aplikací. 9) Poslední dílčí projekt se zabývá charakterizací iniciace a následné evoluce transverzálního praskání u CFRP materiálů. Dlouhovláknové kompozitní materiály s polymerní matricí se v současné době těší stále větší oblibě, a to zejména díky své relativně dobré cenové dostupnosti, mechanickým vlastnostem či odolnosti vůči široké paletě chemikálií. Určitým specifikem dlouhovláknových kompozitů je však mechanismus porušení, který může nabývat různého stupně komplexity, přičemž zahrnuje delaminaci, debonding vláken/matice či porušení vláken/matrice. Vícesměrové laminy, sestávající se z UD vrstev, mají navíc tendenci vykazovat vlivem jejich zatěžování specifické porušení, konkrétně transverzální praskání. Uvedený fenomén se vyskytuje zejména u těch vrstev, které jsou orientovány pod určitým, většinou ostrým úhlem, vzhledem k zátěžné ose. Transverzální praskání zahrnuje iniciaci a následnou propagaci trhlin napříč těmito vrstvami, což ve většině případů vyústí v delaminaci takto zasažených vrstev. Cílem projektu je charakterizovat proces iniciace a následné evoluce uvedeného fenoménu s využitím metody digitální korelace obrazu (DIC) a metody modální akustické emise (MAE) zpracovávající spojitý signál AE. Dílčí projekt má za cíl realizaci tahových zkoušek 0/90o vzorků za současného monitoringu kontinuální AE a následným zpracováním prostřednictvím MAE přístupu, využití DIC metody k monitoringu pole posuvů v inkriminované vrstvě a rovněž i v sousedních vrstvách dané laminy v průběhu iniciace a propagace příčné trhliny včetně monitoringu vznikající delaminace a signálovou analýzu MAE dat včetně korelace s výsledky DIC techniky.

doc. Ing. Martin Fusek, Ph.D.
prof. Ing. Radim Halama, Ph.D.
prof. Ing. Karel Frydrýšek, Ph.D., FEng.
doc. Ing. František Fojtík, Ph.D.
doc. Ing. Pavel Maršálek, Ph.D.
doc. Ing. Zdeněk Poruba, Ph.D.
doc. Ing. Michal Šofer, Ph.D.
Ing. Michal Kořínek, Ph.D.
Ing. Martin Šotola, Ph.D.
Ing. Petr Ferfecki, Ph.D.
Ing. Anna Tošková
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
Bc. Tomáš Hykl
Bc. Jakub Konvička
Bc. David Leňko
Bc. Tomáš Leskovan
Sandra Zapletalová
Bc. Martin Zatloukal
Bc. Tomáš Petkov
Bc. Radim Petkov
Bc. Otto Pomp
Bc. Martin Velička
Bc. Michal Barnovský
Bc. Filip Georgiovský
Bc. Adam Gladiš
Ing. Anilraj Sudhakar
Behrad Zanganeh
Ing. Bhuvanesh Govindaraj
Ing. Fatih Sari
Bc. Ajay Vignesh Natarajan
Ing. Anna Tošková
Ing. Daniel Čepica
Ing. Tomáš Halo
Ing. Anna Tošková
Ing. Anna Tošková

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

Jako výstupy projektu v souladu s metodikou RVVI se předpokládají:
- 9x publikované časopisecké články s IF
- 10x publikované časopisecké články nebo příspěvky na konferenci uvedené v databázích WoS nebo SCOPUS,
- 2x příspěvky na konferenci neindexované,
- 3x odevzdaná/obhájená disertační práce,
- 7x odevzdané/obhájené diplomové práce,
- 2x funkční vzorek.

Harmonogram řešení projektu:
jaro 2025 – návrh a plán experimentální a výpočetní činnosti, studium odborných zdrojů,
léto 2025 – příprava experimentů, tvorba výpočetních modelů,
podzim 2025 – realizace měření a vyhodnocení dat, realizace výpočtů,
zima 2025 – diskuze výsledků, prezentace výsledků, zhodnocení projektu.