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.

prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D.

1. Aplikace mechatronických řešení pro přesnou manipulaci a měření při procesu kultivace buněk

   Disertační práce se bude zabývat výzkumem a vývojem technických řešení speciálně určených pro náročné podmínky kultivace buněk v tepelném inkubátoru. Jedná se o velmi přesné polohové řízení v několika osách současně se zpracováním naměřených dat (teplota, koncentrace CO2 atd.). Na technické řešení jsou kladeny další náročné požadavky, např. možnost desinfekce celého mechatronického systému, nízká prašnost, návrh řídicího algoritmu s vysokým stupněm bezpečnosti a odolnosti proti poruchám jednotlivých komponent (pohony, sensory, řídicí jednotka). Předpokládá se využití nástrojů pro automatické generování C kódu na bázi Matlab/Simulink (RT Workshop, RTW Embedded Coder). Testování implementovaných algoritmů bude prováděno mimo jiné pomocí HIL simulace. Použit bude vysoce výkonný HW dSPACE, časově kritické části aplikace (např. simulace sensorů) budou implementovány v FPGA. Práce bude prováděna ve spolupráci s Ústavem histologie a embryologie, LF, MUNI.

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

2. Experimentálně-výpočtové modelování porušování elastomerů a jejich rozhraní s krystalickým materiálem

   Jedná se o aktuální problematiku z oblasti mechaniky hyperelastických materiálů, která souvisí s možností výpočtového posuzování spolehlivosti pneumatik. Cílem je zvýšení úrovně výpočtového posuzování rizika mezních stavů kompozitu pryž-ocel. K porušování tohoto kompozitu dochází typicky v elastomeru v blízkosti materiálového rozhraní, ale dosud nebyla formulována obecně použitelná mezní podmínka ani pro samotné elastomery. K porušování elastomerů dochází rozdílnými mechanismy podle typu napjatosti, která je v blízkosti materiálového rozhraní velmi specifická. K verifikaci, resp. falzifikaci podmínky porušení elastomerů při statickém zatěžování, která byla pracovníky ústavu navržena, je zapotřebí rozsáhlé experimentálně-výpočtové modelování.

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

3. Modelování deformace a napjatosti na čele smykových trhlin pomocí metody konečných prvků.

   Cílem je vytvoření 3D modelů rozložení pole napětí a deformací na čele trhlin namáhaných ve smykových módech II, III a II+III pomocí metody konečných prvků v elastoplastické aproximaci. Geometrie trhlin bude uvažována ideálně rovinná a křivolaká.

   Školitel: Horníková Jana, doc. Ing., Ph.D.

4. Návrh a implementace řídicích algoritmů na FPGA

   Disertační práce se bude zabývat výzkumem a vývojem v oblasti využití programovatelných hradlových polí (FPGA) v mechatronických aplikacích. Cílem bude implementace vybraných algoritmů zpracování signálu a řízení na FPGA a následné vyhodnocení přínosů a nákladů tohoto přístupu. Klíčovou výhodou FPGA je rychlost a paralelnost zpracování. Příkladem aplikace je pokročilé bezsensorové řízení BLDC motoru použitého jako palivové čerpadlo leteckého motoru. Předpokládá se využití nástrojů pro automatické generování HDL kódu na bázi Matlab/Simulink, použit bude HW dSPACE. Práce bude prováděna v úzké koordinaci s průmyslovým partnerem (firmou UNIS/Mechatronické systémy) a v návaznosti na aktuálně řešený projekt 7RP ESPOSA.

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

5. Návrh předfiltračních jednotek vyrobených z anorganických polymerů pro vysokoteplotní výměnu tepla

   Vysokoteplotní výměna je specialisovaný obor, v rámci kterého se používají často podstatně dražší zařízení než pro nižší teploty. Je proto pochopitelná snaha udržovat tato zařízení v optimálních podmínkách. Teplonosná media při vysokých teplotách často obsahují pevné částice, je možné i chemicky agresivní prostředí. Odstranění pevných částic při vysokých teplotách a i jinak nepříznivém prostředí je nákladné. Vlastní konstrukční a provozní řešení je závislé na požadovaných parametrech předčištěného proudu který následně vstupuje do výměnku tepla. Jedná se hlavně o rozměry pevných částic, které nebudou zachyceny. Anorganické polymery mohou být tepelně i chemicky vhodné materiály pro tvorbu porésní vrstvy. Mají však řadu negativních vlastností např. křehkost. Cílem je vývoj porezních tepelných výměníků na bázi anorganických polymerů a stanovení jejich optimálních aplikací.

   Školitel: Svěrák Tomáš, prof. Ing., CSc.

6. Nezávislý elektrický zdroj pro MEMS aplikace

   Náplní disertační práce bude vývoj nezávislého zdroje elektrické energie pro MEMS aplikace. Tento zdroj získávána energie přímo z okolí v místě napájené aplikace a je založen na tzv. „Energy Harvesting“. „Energy Harvesting“ metody představují základní principy energetické přeměny z okolních zdrojů. Tyto zdroje okolní energie mohou být ve formě solárního záření, mechanické energie pohybu, vibrace a rázů, energie teplotního rozdílu, atd. Obecně je množství generované energie z těchto zdrojů velmi malé. Nicméně s vývojem moderní elektroniky jsou tyto zdroje energie dostatečné pro některé aplikace, především MEMS. Takovýto nezávislý zdroj představuje mechatronickou soustavu a ta se skládá s několika subsoustav a chování těchto soustav se vzájemně ovlivňuje. Respektování vzájemných interakcí je velmi důležité pro vývoj „Energy Harvesting“ zdroje. Simulační modelování jednotlivých interakcí této mechatronické soustavy bude hlavní náplní disertační práce. Simulační modely budou v rámci práce experimentálně verifikovány a využity pro optimalizační studie s ohledem na napájenou aplikaci. Cílem této práce bude vývoj nezávislého zdroje energie pro MEMS aplikace s ohledem na minimalizaci rozměrů a maximalizace generování výkonu. Hlavní důraz bude kladen na aplikaci tohoto zdroje v průmyslové praxi.

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

7. Pevnostní optimalizace struktury v místě spojení kompozitové a kovové části pohonového hřídele smíšené konstrukce.

   U některých prvků (např. hnacích hřídelů) moderních mechanických silových přenosů dochází v poslední době k náhradě klasických kovových materiálů (zejména oceli) vláknovými kompozity. Kompozitní materiál s matricí z polymerních pryskyřic však nesnese vysoké tlaky a intensivní tření. Řešením tohoto problému je smíšená kompozito-kovová konstrukce s výraznou rolí spojení obou částí. Cílem práce je výpočtová napěťová, deformační a pevnostní srovnávací analýza pomocí MKP různých typů spojení (klasický lepený válcový spoj, kuželový spoj, navinutý přírubový spoj, případně další), výběr nejvhodnějšího způsobu a následná pevnostní optimalizace struktury v místě spojení. Počítáme s experimentálním ověřením.

   Školitel: Vrbka Jan, prof. RNDr. Ing., DrSc., dr. h. c.

8. Plastové tepelné výměníky

   Cena energie nutí hledat nové zdroje. Jsou to zvláště zdroje nízkopotenciální energie. Provoz výměníků tepla v takovém prostředí vyžaduje novou konstrukci s ohledem na vysoký stupeň znečištění teplonosných medií a korozní odolnost teplosměnných ploch. Plastické výměníky jsou používány již řadu let. Kapiláry jako konstrukční prvek se ve výměnících objevují řadě aplikací, např. laboratoře, tepelná čerpadla atd. 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 např. spirál. Navíc je flexibilitu kapilár možné účinně použít i při čištění jejich povrchů což je velký provozní problém. Cílem je výzkum možností a limitů aplikace tepelných výměníků s dutými vlákny. Jejich parametry, např. provozní teplota, jsou přijatelné. Je však potřeba minimalizovat vliv foulingu se zvláštním důrazem na biofouling. Řešení je v netradiční konstrukci a v netradičním provozu. Cílem práce je návrh a testování tepelných výměníků na bázi dutých plastových mikrovláken.

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

9. Popis šíření creepové trhliny v polymerních materiálech

   Díky stále většímu podílu polymerních materiálů určených pro dlouhodobé aplikace je proces pomalého růstu creepové trhliny jedním z významných výzkumných témat. Proto hlavním cílem této práce je relevatní popis šíření creepové trhliny v polymerních materiálech při komplexním mechanickém namáhání s uvážením residuálních napětí. Creepová trhlina je popsána lomovými parametry a na základě numerického výpočtu je určena zbytková životnost polymerní součásti. Výsledky numerických simulací budou v projektu konfrontovány s experimentálními daty v rámci spolupráce s Polymer Competence Center Leoben (PCCL).

   Školitel: Hutař Pavel, prof. Ing., Ph.D.

10. Popis šíření krátkých únavových trhlin

    Většinou se únavové šíření trhliny popisují pomocí Parisova-Erdoganova vztahu mezi rychlostí šíření únavové trhliny a faktorem intenzity napětí. V případě krátkých trhlin se tento popis nedá použít, protože vliv plasticity, mikrostruktury a třeba volného povrchu, které běžně Parisův-Erdoganův vztahu nezahrnuje je poměrně velký. Cílem práce je na základě kombinace numerického modelování v softwaru ANSYS a vlastních experimentálních dat najít možnosti popisu krátkých únavových trhlin pomocí vhodných lomových parametrů a odseparovat od sebe jednotlivé vlivy.

    Školitel: Hutař Pavel, prof. Ing., Ph.D.

11. Řešení obecných koncentrátorů napětí v laminátech s pěnovými vrstvami

    Keramické pěnové materiály jsou v současné době předmětem vysokého zájmu v široké řadě aplikací pro své výjimečné vlastnosti. Jedná se o aplikace sahající od vysokoteplotních filtrů, přes kostní implantáty , isolační materiály až po letecké konstrukce. Pro napěťově deformační analýzu je nezbytné nejprve pěnový materiál nahradit vhodným homogenizovaným prostředím. Přitom se ukazuje, že zvláště v přítomnosti vysokých gradientů napěťově deformačního pole je nutné zahrnout do výpočtu vliv charakteristického rozměru buněk původního pěnového materiálu. Toho lze dosáhnout použitím vhodného modelu gradientní pružnosti. Cílem práce je popis obecných koncentrátorů typu vrubů a trhlin na rozhraní v kompozitech s pěnovými vrstvami.

    Školitel: Kotoul Michal, prof. RNDr., DrSc.

12. Vývoj a optimalizace řídicího SW pro akční členy v kritických aplikacích

    Předmětem výzkumu a vývoje bude vysoce spolehlivý řídicí SW pro elektronicky komutované (EC) motory s ohledem na použití pro kritické aplikace v letectví. Současné technologické trendy v tomto odvětví v rámci koncepce all-electric aircraft vedou k nahrazení stávajících hydraulických rozvodů inteligentními akčními prvky na bázi elektronických servopohonů, které zvyšují výslednou spolehlivost a užitnou hodnotu. Hlavním cílem disertační práce bude navrhnout komplexní řídicí SW pro palivový aktuátor, kde akčním prvkem je stejnosměrný EC motor. SW musí být vyvíjen v souladu s požadavky danými normou DO-178C kategorie B. Kvůli bezpečnosti tohoto systému je nutné při návrhu zpracovat Fault Tree Analysis a na základě výsledků navrhnout a implementovat redundantní řídicí algoritmy pro zvýšení bezpečnosti a spolehlivosti. Do řídicího SW budou dále implementovány algoritmy pro tzv. Health monitoring, predikci poruchových stavů a vlastní detekci chyb formou Built-In-Test. Při řízení budou implementovány a ověřeny současné trendy a moderní algoritmy pro senzorové i bezsenzorové řízení EC motorů. Všechny řídicí struktury budou ověřeny na palivovém standu, který simuluje reálný palivový okruh leteckého motoru.

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

13. Zlepšení predikce ruptury aortálních výdutí s využitím výpočtového modelování

    Jedná se o aktuální problematiku z oblasti biomechaniky. Téma práce je zaměřeno na experimentálně-výpočtové modelování deformačně-napěťových stavů ve výdutích břišní aorty (AAA) a zlepšení predikce jejich ruptury. Dosavadní výzkum s využitím modelů jejich reálné geometrie a materiálových vlastností založených na měření skutečných tkání AAA ukázal, že riziko ruptury mohou významně ovlivňovat další faktory, jako je remodelace tkáně AAA, její beznapěťový stav, intraluminální trombus, koncentrace napětí na odbočujících tepnách, orientace kolagenních vláken ve stěně, apod. Cílem tématu je s maximálním využitím experimentu věrohodně zahrnout co největší počet těchto faktorů do výpočtových modelů pro predikci ruptury AAA a dosáhnout tak zlepšení kvality predikce.

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

14. Zobecněná lineárně elastická lomová mechanika a její aplikace

    Inženýrské konstrukce obsahují řadu koncentrátorů napětí singulárního charakteru. Mezi nejčastější patří například tzv. v-vruby. Další hojnou skupinu singulárních koncentrátorů napětí reprezentují místa spojení dvou materiálů, ať již se jedná např. o povrchové vrstvy či kompozitní materiály. Takových příkladů existuje více. Společným rysem jmenovaných singulárních koncentrátorů napětí je, že exponent singularity napětí je v tomto případě, na rozdíl od trhliny, různý od 0.5, a nelze tak využít klasických postupů lomové mechaniky. Cílem disertační práce je využít postupů zobecněné lineárně elastické lomové mechaniky ke stanovení počátku a způsobu šíření trhliny z obecného singulárního koncentrátoru napětí. Z aplikačního pohledu budou odvozené postupy využity např. v materiálové oblasti ke stanovení způsobu porušení vrstevnatých materiálů, v konstrukční oblasti ke stanovení počátku šíření trhliny z ostrého v-vrubu či ke stanovení vlivu volného povrchu součásti na šíření únavové trhliny. K nezbytným numerickým výpočtům bude využit MKP systém Ansys a matematický software Matlab.

    Školitel: Náhlík Luboš, prof. Ing., Ph.D.