Detail oboru

Inženýrská mechanika

FSIZkratka: D-IMEAk. rok: 2018/2019

Program: Aplikované vědy v inženýrství

Délka studia: 4 roky

Akreditace od: 1.1.1999Akreditace do: 31.12.2020

Profil

Teorie modelování mechanických soustav – modelování experimentální a výpočtové (simulace, identifikace, optimalizace, citlivostní analýza). Deformační, napjatostní, stabilitní, spolehlivostní, vibrační a hlukové analýzy technických objektů s uvažováním všech typů nelinearit (velké deformace, kontakt, materiálové nelinearity), pro materiály kovové, pryže a kompozita, pro problémy přímé a nepřímé. Lomová mechanika a problémy homogenizace složených materiálů.
Výpočtové modelování vybraných technologických procesů (tváření apod.)
Dynamika interaktivních pohonových a rotorových soustav, dynamika vozidel, vybrané problémy vibroakustiky.
Biomechanka svalově-kosterní, srdečně cévní, dentální a sluchové soustavy – řešení problémů klinické praxe, např. endoprotézy velkých kloubů, problematiky patologie páteře, implantáty cévní soustavy (umělé cévní náhrady, stenty), zubní implantáty.

Garant

Vypsaná témata doktorského studijního programu

  1. Adaptivní řízení dynamických systémů s využitím lokálních lineárních modelů

    Práce se bude zabývat výzkumem v oblasti řízení a identifikace nelineárních dynamických systémů s využitím metod založených na myšlence lokálních lineárních modelů (Lazy Learning, LWR, RFWR). Identifikovaný inverzní dynamický model bude použit jako feedforward kompenzátor ve struktuře kompozitního regulátoru. Výsledky výzkumu budou experimentálně ověřeny na reálných soustavách dostupných v Mechatronické laboratoři (výukové modely, automobilové aktuátory, apod.) s použitím výpočetního prostředí Matlab/Simulink a dostupných hardwarových prostředků. Následně se předpokládá implementace vhodných algoritmů ve formě samostatné řídící jednotky s mikrokontrolerem.

    Školitel: Grepl Robert, doc. Ing., Ph.D.

  2. Analýza vlivu proudění krve na deformačně-napěťové stavy tepny s ateromem

    Jedná se o aktuální problematiku z oblasti biomechaniky, která je součástí řešeného projektu GACR. Posouzení vulnerability (rizika ruptury) sklerotického plátu v krční tepně jako jedné z obvyklých příčin mozkové mrtvice je tématem s významným vědeckým i klinickým potenciálem. Cílem konkrétního tématu doktorského studia je rozšířit napěťově-deformační analýzy tepny s ateromem o vliv proudění krve jako nenewtonské kapaliny v poddajné cévní trubici na její napjatost a deformacia.

    Školitel: Burša Jiří, prof. Ing., Ph.D.

  3. Analýza vlivu struktury tkání stěny tepny na jejich mechanické vlastnosti

    Jedná se o aktuální problematiku z oblasti biomechaniky, která je součástí řešeného projektu GACR. Pro popis mechanického chování tkání stěny tepny se v současnosti používají strukturně podložené anizotropní konstitutivní modely, které jsou schopny zahrnout směrový rozptyl i vlnitost kolagenních vláken ve tkáni. Jejich použití však omezuje nedostatek informací o uspořádání těchto vláken ve tkáních. Cílem tématu doktorského studia proto je propracovat metody pro automatickou analýzu struktury kolagenních vláken ve tkáních stěny tepny a využít je při získání vstupních dat pro příslušné konstitutivní modely patologické stěny tepny.

    Školitel: Burša Jiří, prof. Ing., Ph.D.

  4. Deformačně-napěťová analýza tepny s ateromem

    Jedná se o aktuální problematiku z oblasti biomechaniky, která je součástí řešeného projektu GACR. Posouzení vulnerability (rizika ruptury) sklerotického plátu v krční tepně jako jedné z obvyklých příčin mozkové mrtvice je tématem s významným vědeckým i klinickým potenciálem. K deformačně-napěťové analýze se bude využívat individuálních výpočtových modelů s geometrií rekonstruovanou na základě snímků z magnetické rezonance, mechanických vlastností získaných z literatury i vlastních experimentů a strukturních informací z histologických analýz.

    Školitel: Burša Jiří, prof. Ing., Ph.D.

  5. Detekce a izolace poruch pro nelineární systémy s využitím lokálních lineárních modelů

    Aplikace stále výkonnějších mikroprocesorů při řízení mechatronických systémů umožňují implementovat výpočetně náročné doplňkové funkce. Jednou z velmi důležitých oblastí, která se stále rozvíjí, jsou algoritmy detekce, izolace a řešení chyb v systémech. Práce se bude zabývat vývojem nových algoritmů založených na lokálních lineárních modelech a metodách soft computing. Teoretické a simulační výsledky budou ověřovány na reálných soustavách dostupných v Mechatronické laboratoři (výukové modely, automobilové aktuátory apod.). Předpokládá se tedy simulační modelování v prostředí Matlab+ a experimentální práce s využitím moderního vybavení Real-Time Rapid Prototyping firmy dSPACE, které je současným de facto standardem v automobilovém průmyslu.

    Školitel: Grepl Robert, doc. Ing., Ph.D.

  6. Komplexní modelování speciálních elektrických strojů točivých

    Práce se bude zabývat výzkumem a vývojem výpočtového modelování speciálních elektrických strojů. Cílem bude vývoj postupů pro komplexní modelování elektrických strojů, které umožní modelovat dynamický tepelný stav stroje a simulovat jeho různé provozní stavy. Teoretické výsledky budou ověřeny na reálných aplikacích.

    Školitel: Vlach Radek, doc. Ing., Ph.D.

  7. Kompozitní struktury s integrovanou piezoelektrickou vrstvou

    Chytré materiály a aplikace jsou v současnosti vyvíjeny pro letecký průmysl jako autonomně se monitorující a samo-opravující struktury křídla a cílem výrobců je nasadit tyto chytré materiály i na trup letadla. Také chytré oblečení má velký potenciál pro sportovní využití a zdravotní péči. Hlavní cil této disertační práce je vývoj takovýchto chytrých mechanických součástí s integrovanou piezoelektrickou vrstvou nebo potahem. Piezoelektrická vrstva může být použita pro snímání naměřených dat tak i pro získávání energie z dynamického chování použitých komponent. Vyvinuté součásti mohou monitorovat samy sebe a poskytnout informace pro aplikace průmyslu 4.0.

    Školitel: Hadaš Zdeněk, doc. Ing., Ph.D.

  8. Simultánní lokalizace a mapování u multiagentních robotických systémů bez komunikace

    Jedná se o interdisciplinární téma zahrnující jak teoretické zpracování úlohy SLAM pro multiagentní robotické systémy bez interagentní komunikace, tak experimentální ověření s využitím mobilních robotů s heterogenním senzorickým vybavením. Cílem je navrhnout robustní metodu fúze senzorických dat různé fyzikální podstaty získaných z různých poloh, a dále navrhnout a ověřit minimální senzorickou konfiguraci při zachování schopnosti určit vlastní polohu a celkovou mapu prostředí.

    Školitel: Krejsa Jiří, doc. Ing., Ph.D.

  9. Simultánní lokalizace a mapování u multiagentních robotických systémů s komunikací

    Jedná se o interdisciplinární téma zahrnující jak teoretické zpracování úlohy SLAM pro multiagentní robotické systémy s možností interagentní komunikace, tak experimentální ověření s využitím mobilních robotů s heterogenním senzorickým vybavením. Cílem je navrhnout robustní metodu fúze senzorických dat různé fyzikální podstaty získaných z různých poloh, a dále navrhnout a ověřit minimální senzorickou konfiguraci při zachování schopnosti určit vlastní polohu a celkovou mapu prostředí.

    Školitel: Krejsa Jiří, doc. Ing., Ph.D.

  10. Speciální metody chlazení elektrických strojů točivých

    Práce se bude zabývat výzkumem a vývojem výpočtového modelování speciálních způsobů chlazení elektrických strojů. Cílem bude vývoj postupů pro chlazení rotorů elektrických strojů. Teoretické výsledky budou ověřeny na reálných aplikacích.

    Školitel: Vlach Radek, doc. Ing., Ph.D.

  11. Spolehlivost keramické hlavice kyčelní endoprotézy při víceosé napjatosti

    Pro posouzeni pravděpodobnosti porušení keramické hlavice totální kyčelní endoprotézy se využívá Weibullova teorie nejslabšího článku. V keramické hlavici vzniká při zatížení dle ISO 7206-5 obecná 3-osá napjatost s výraznou tahovou složkou ve směru obvodovém (první hlavní napětí). Dosavadní výzkum zahrnoval do výpočtové modelu pouze toto v tahové napětí a zbývající složky nebyly uvažovány. Cílem je rozšířit výpočtové modelování pravděpodobnosti porušení hlavice o zbývající dvě hlavní napětí.

    Školitel: Fuis Vladimír, doc. Ing., Ph.D.

  12. Studium teplotně závislé intenzity chlazení při tepelném zpracování oceli pro různé typy vodních sprejů a různé typy povrchů

    Zlepšení mechanických vlastností ocelí se dosahuje kromě různého chemického složení také tepelným zpracováním. Práce se zaměří na získání a analýzu intenzity chlazení při tepelném zpracování ocelových pásu po kontinuálním válcování. Doktorand(ka) se seznámí s výpočtem vedení tepla v tuhých tělesech, špatně podmíněnou inverzní úlohou pro výpočet okrajových podmínek z experimentálně naměřených dat. V Laboratoři přenosu tepla a prodění se provedou měření chlazení pro různé typy ostřiků (laminární proudy, ploché a kuželové vodní paprsky) a pro různé typy povrchů oceli (broušený, válcovaný, zokujený). Z naměřených dat se budou pomocí inverzní úlohy počítat teplotně závislé koeficienty přestupu tepla, které se budou dále zpracovávat. Očekává se, že obdržená data budou silně teplotně závislá. Zjistí se, zda je možné závislosti intenzity chlazení popsat pomocí matematické funkce, provede se analýza vlivu různých typů sprejů a vliv různého povrchu na chlazení. Zároveň se bude studovat intenzita chlazení od zbytkové vody zůstávající po ostřiku na povrchu. Vytvořený model by měl zejména sloužit k optimalizaci kontinuálního tepelného zpracování oceli.

    Školitel: Pohanka Michal, doc. Ing., Ph.D.

  13. Tepelné výměníky s dutými mikrovlákny pro aplikace v biologicky aktivním prostředí

    Plastové kapiláry jako konstrukční prvek v tepelných výměnících se začaly studovat v posledních deseti letech. Dosud se však téměř nepoužily kapiláry, které jsou vyrobené např. z polypropylenu nebo PVDF. Tyto kapiláry jsou flexibilní a jejich svazky je proto možné velmi jednoduše a levně formovat do různých tvarů. Navíc je flexibilitu kapilár možné účinně použít i při čištění jejich povrchů. Povrchy kapilár je také možné modifikovat tak, aby byla měněna jejich smáčivost a tak i vlastnosti povrchu z pohledu varu a kondenzace. Cílem práce je studium přenosu tepla a látky na vnitřních i venkovních površích kapilár a vývoj teorie popisující tyto pochody. Práce je zaměřena na prostředí, kde se vyskytuje možnost zanášení povrchů biologicky aktivními látkami.

    Školitel: Raudenský Miroslav, prof. Ing., CSc.

  14. Teplotní optimalizace moderních světelných zdrojů používaných v automobilové technice

    Snahou výrobců je zvyšovat světelné výkony použitých světelných zdrojů při zachování stávajících rozměrů nebo jejich zmenšení. To vede k vyšším nárokům na odvod tepla z místa světelného zdroje mimo tělo světlometu. Experimentálně bude zjištěno na konkrétních případech teplotní rozložení v provozních podmínkách a pomocí numerických simulací bude provedena následná optimalizace.

    Školitel: Raudenský Miroslav, prof. Ing., CSc.

  15. Tvárné porušování reaktorové oceli za zvýšených teplot

    Téma práce vychází z požadavku na spolehlivý popis materiálů využívaných v energetickém inženýrství, zvláště pak v jaderném průmyslu. V poslední době je kladen důraz na vývoj nových technologií pro udržitelný zdroj energie. Na základě tohoto požadavku je vyvíjen fúzní reaktor, ve kterém jsou však vysoké nároky na konstrukční materiály. Cílem této práce je vytvoření spolehlivého postupu pro popis tvárného porušování reaktorové oceli, a to i za zvýšených teplot, kterým bude materiál kromě radioaktivního záření vystaven. Práce kombinuje návrh vhodných experimentů a jejich zpracování s následným vývojem numerického modelu pro věrohodný popis chování oceli.

    Školitel: Petruška Jindřich, prof. Ing., CSc.

  16. Tvárný lom při extrémně nízkém počtu zatěžovacích cyklů

    Téma práce vychází z dlouhodobého zaměření pracoviště na simulaci tvárného lomu při rozvinutých plastických deformacích v podmínkách monotónního zatěžování. Dosavadní výsledky budou rozšířeny na oblast tvárného poškozování v podmínkách únavy s extrémně nízkým počtem do cca 100 zatěžovacích cyklů. Úspěšné modely tvárného lomu budou doplněny o cyklickou plasticitu a vhodnou kumulaci poškození, včetně metodiky jejich kalibrace. Všechny postupy budou prověřeny na reálných experimentech pro vybrané materiály a bude posouzena predikční schopnost navržených modelů.

    Školitel: Petruška Jindřich, prof. Ing., CSc.

  17. Výpočtové modelování nanoindentace

    Princip nanoindetace spočívá v zatlačování miniaturního hrotu do různého materiálu a to na úrovni nanometrů až mikrometrů - výstupem z experimentu je závislost síla - posuv hrotu. Standardně používané přístupy pro vyhodnocení nanoindentačního testu byly primárně vyvinuty pro homogenní a izotropní objemové materiály za předpokladu celé řady okrajových podmínek. V případě aplikace těchto metod pro těleso s tenkou vrstvou však dochází k principiálnímu porušení těchto základních předpokladů. Je zřejmé, že v případě nano/mikro kompozitních tenkých vrstev se situace ještě více komplikuje. V první fázi je cílem určit elasto-plastické materiálové charakteristiky pro různé materiály (kov, sklo, keramika) tak, aby byl zajištěn soulad mezi experimentálně a výpočtově (pomocí metody konečných prvků) určenou závislostí síla-posuv hrotu. Např. pro křemičité sklo je maximální velikost silového působení při zkoušce 200 mN a tomu odpovídající posuv hrotu je 1310 nm. Pro odladěný výpočtový model se bude v další fázi výpočtově modelovat proces nanoindetace pro tělesa s různými materiálovými vlastnostmi včetně těles s tenkými vrstvami.

    Školitel: Fuis Vladimír, doc. Ing., Ph.D.

  18. Výpočtové modelování pohybu a napjatosti hlasivek při nastavování do fonačního postavení

    Nastavení hlasivek do fonačního postavení je základním prvkem kontroly tvorby lidského hlasu. Detailní studium tohoto mechanismu je důležité pro pochopení tvorby hlasu u zdravých lidí a především pak u pacientů trpících hlasovými poruchami. Cílem práce je s využitím metody konečných prvků vytvořit prostorový výpočtový model hrtanových chrupavek a měkké tkáně hlasivek pro analýzu pohybu a napjatosti hlasivek při nastavování do fonačního postavení. Pohyb hrtanových chrupavek bude aktivován působením svalstva hrtanu. Výpočtové modely budou využity pro deformačně-napěťové analýzy patologických změn hlasivek jako je jednostranná paréza hlasivky.

    Školitel: Švancara Pavel, Ing., Ph.D.

  19. Výpočtové modelování samobuzeného kmitání lidských hlasivek

    Tvorba lidského hlasu je založena na interakci proudem vzduchu rozkmitaných hlasivek s akustickými procesy ve vokálním traktu. Detailní studium tohoto mechanismu je důležité pro pochopení tvorby hlasu u zdravých lidí a především pak u pacientů trpících hlasovými poruchami. Cílem práce je vytvořit s využitím metody konečných prvků výpočtový model interakce samobuzeného kmitání hlasivek s akustickým prostředím vokálního traktu. A dále, po ověření výsledků modelu porovnáním s experimentálními daty, na tomto modelu dále analyzovat vliv některých patologických změn tkáně hlasivek (Rinkeho edém, Sulcus vocalis apod.) na kmitání hlasivek a produkovaný hlas.

    Školitel: Švancara Pavel, Ing., Ph.D.

  20. Vývoj a experimentální ověření teorie hydraulického odstraňování okují

    Při výrobě a zpracování oceli za tepla, kdy je povrch vystaven oxidační atmosféře, se na povrchu tvoří zoxidované vrstvy oceli nazývané okuje. Tyto okuje se odstraňují pomocí vysokotlakých trysek s plochým vodním paprskem. Při tomto procesu se sleduje jak výsledná jakost povrchu (množství neodstraněných okují), tak množství tepla odvedeného z oceli. Kvalita povrchu vyrobeného ocelového polotovaru závisí nejen na konfiguraci hydraulického ostřiku, ale také na jakosti oceli (chemickém složení), tepelném zpracování a povlakování. Během ostřiku dochází k prudkému poklesu teploty a tím i výrazné změně materiálových vlastností okují. Ty navíc obvykle netvoří homogenní vrstvu. Většinou se jedná o vrstvu složenou z několika typů okují: wüstit, magnetit a hematit; přičemž jejich podíl je závislý mimo jiné na oxidační teplotě. Vrstva okují je obvykle porézní, což umožňuje vodě vnikat do trhlin, kde může vlivem velmi vysoké teploty (nad 1000°C) vést k parní explozi. Při hydraulickém odkujování tak dochází k velmi komplikovanému namáhání, který se skládá zejména z mechanického účinku od vodního paprsku, teplotní kontrakce povrchových vrstev, smykovému napětí na rozhraní okuje/ocel, ohýbání okují vlivem teplotního gradientu v okujích a parní explozi v trhlinách. Cílem práce je vytvoření teorie a verifikačního modelu hydraulického odstraňování okují a popsání principů při tomto kombinovaném teplotně-mechanickém namáhání. Výpočtový model, který bude vytvořen na základě teorie, bude sloužit k ověření vytvořené teorie na základě srovnání se skutečným procesem odkujování, který bude prováděn v laboratoři. Vytvořený model by měl mimo jiné posloužit k optimalizaci hydraulického odstraňování okují pro těžko odkujitelné materiály (např. oceli se zvýšeným obsahem křemíku pro automobilový průmysl).

    Školitel: Pohanka Michal, doc. Ing., Ph.D.

  21. Vývoj algoritmu pro výpočtové modelování vlastností segmentových hydrodynamických ložisek

    V současné době je snaha stále zvyšovat specifický výkon strojů, což vede na růst otáček jejich rotorů. Tento trend s sebou přináší nutnost použít segmentová hydrodynamická ložiska z důvodu vysoké stability mazacího filmu. Stabilita mazacího filmu umožňuje provozovat rotory při vyšších otáčkách a v situacích kdy poměr šířky ložiska k průměru ložiska by u jiných typů ložisek již nebyl vyhovující. Výhodou správně navržených segmentových ložisek je dobrá odolnost ložiska vůči vzniku nestabilního mazacího filmu a s tím souvisejícího vzniku nestability rotoru. Aby bylo možné provést návrh vhodného segmentového ložiska pro danou aplikaci, je třeba znát statické a dynamické vlastnosti ložiska. Cílem práce je návrh algoritmu pro výpočet statických a dynamických parametrů segmentového ložiska. V praktických aplikacích se lze setkat s požadavky na nestandardní geometrii ložiska jako je např. velké množství kluzných ploch po obvodu ložiska. Přínosem práce by mělo být vytvoření algoritmu, který vyhoví i takovým nestandardním požadavkům vzhledem k počtu kluzných ploch a tuhostem jejich podepření. Algoritmus numerického řešení bude při řešení vlastností ložiska využívat přístupu, u něhož bude kladen důraz na zohlednění podstatných veličin ovlivňující správnost řešení. Pro aplikovatelnost v praxi je nutné se také zaměřit na co nejlepší přesnost v kombinaci s akceptovatelnou rychlostí výpočtu.

    Školitel: Návrat Tomáš, doc. Ing., Ph.D.

  22. Vývoj metod pro měření a vyhodnocení teplotních charakteristik dynamických procesů

    Jedná se o interdisciplinární téma se zaměřením na experimentalní činnost, metody měření, snímání a záznamu veličin. Cílem je návrh, vývoj a optimalizace snímačů a následný vývoj numerických metod pro zpracování dat získaných z těchto snímačů.

    Školitel: Kotrbáček Petr, Ing., Ph.D.


Struktura předmětů s uvedením ECTS kreditů (studijní plán)

Studijní plán oboru není zatím pro tento rok vygenerován.