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. Analyza napjatosti, deformace a bezpečnosti spojení kompozitní a kovové části smíšené konstrukce s cílem strukturní optimalizace.

   Při návrzích moderních obráběcích strojů vysokých výkonů dochází k náhradám vybraných kovových (ocelových) prků prvky vyrobenými z vláknových kompozitních materiálů. U pohonových komponent (hřídelů) je však nezbytná smíšená kopozitově-kovová struktura s kovovými koncovkami, z důvodů vysokých kontaktních tlaků a tření, které vznikající při silových přenosech např. v ozubených kolech. Cílem práce je provést srovnávací napěťovou, deformační a pevnostní analýzu současné technologie lepeného spoje a jednodušší technologie navinutého přírubového spoje nebo tvarového spoje , vybrat nejvhodnější technologii a následně provést strukturní optimalizaci.

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

2. Analýza vlivu struktury vláknového kompozitu na tlumící vlastnosti.

   Významným omezujícím faktorem při návrhu moderních výkonných obráběcích center je tlumení v aktivních prvcích stroje. Z tohoto důvodu se zde začínají používat vláknové kompozitní materiály, které vykazují řádově větší tlumení než klasický kovový materiál. U kompozitů hraje velikou roli vlastní struktura a uspořádání. Cílem práce je prověřit současný stav vývoje v oblasti vláknových kompozitů a výpočtově i experimentálně ověřit charakteristiy tlumení u kompozitových struktur různých tvarů a návinů. K výpočtové analýze bude využita metoda konečných prvků (MKP), jmenovitě programový systém MKP ANSYS, resp. ABAQUS resp. NASTRAN.

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

3. Aplikace zobecněné lineárně elastické lomové mechaniky v oblasti složených těles

   Moderní konstrukce jsou často tvořeny z kompozitních materiálů jenž obsahují materiálová rozhraní, která mohou významně ovlivnit jejich životnost. Jako příklad takových konstrukcí můžeme uvést např. vícevrstvé polymerní kompozity jenž slouží např. pro výrobu potrubních systémů pro distribuci vody či plynu či keramické materiály, u kterých se vrstvením dá zvýšit jejich lomová houževnatost. Cílem disertační práce je stanovení vlivu materiálového rozhraní mezi dvěma materiály na podmínky jejich porušení, šíření trhlin v uvedených materiálech a popř. jejich zbytkovou únavovou životnost. Speciální pozornost bude věnována zejména vrstevnatým materiálům. Přínos doktoranda bude spočívat v sestavení vhodné procedury pro určení vlivu rozhraní na životnost složených materiálů. K nezbytným numerickým výpočtům bude využit MKP systém Ansys a matematický software Matlab.

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

4. Informační jednotka s haptickým výstupem pro nevidomé

   Tématem práce je vývoj modulárního zařízení pro zprostředkování senzorických informací pacientům se ztrátou zraku. Zařízení zpracované informace předává především pomocí haptického výstupu, čímž je zajištěno že není zatěžován primární senzor slabozrakých/nevidomých - sluch. Podstatou práce je vývoj senzorické, řídící a interakční subsoustavy, která prostřednictvím senzorů získává informace o okolí a zprostředkovává je pomocí haptického výstupu. Příklady zpracovávané informace mohou být GPS signál polohy provázaný s mapou, detekce výrazných rysů okolí zpracováním obrazu, měření vzdálenosti od překážek pomocí proximitních senzorů, atd. Haptický výstup může být jak ve formě klasické Brailovy řádky, tak navržený přímo pro danou aplikaci.

   Školitel: Singule Vladislav, doc. Ing., CSc.

5. Inverzní úlohy pro stanovení teplených a mechanických zatížení na bázi metod umělé inteligence

   Téma je zaměřeno na metodiku experimentů a jejich vyhodnocování. Inverzní úlohou je míněno získání okrajových podmínek pro řešení parciální diferenciální rovnice vedení tepla na bázi tepelného experimentu. Před patnácti – dvaceti léty se podařilo vyvinout inverzní úlohy, které využívaly metody umělé inteligence. Konkrétně se jednalo o užití neuronových sítí a genetických algoritmů. Publikování tohoto přístupu se setkalo se značným světovým ohlasem. Vyvinuté metody revolučním způsobem zjednodušily řešení inverzních úloh, které jsou ze své podstaty úlohy matematicky nekorektní. Použití metod v praktických úlohách narazilo v době jejich vzniku na limity výpočetní techniky a to jak na velikosti paměti, tak na výpočtové časy. Cílem práce je rozvinout inverzní úloh využívající metod umělé inteligence do podoby, ve které mohou svou přesností a rychlostí výpočtu konkurovat klasickým metodám. Budou vyvíjeny jak metody na bázi dříve zkoumaných přístupů, tak na bázi možností, které se objevily v oblasti umělé inteligence v posledních letech. Zadání práce navazuje na evropský projekt z programu Research Found for Coal and Steel. V průběhu studia se počítá s půlročním studijním pobytem u partnerů v UK.

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

6. Konstitutivní modely vláknových kompozitů s elastomerovou matricí

   Jedná se o aktuální problematiku z oblasti mechaniky kompozitních materiálů, motivovanou např. potřebou deformačně-napěťových analýz a následného posuzování spolehlivosti pneumatik. Cílem je věrohodné výpočtové modelování deformačně-napěťových stavů kompozitu pryž-ocel, odlišujícího se od jiných kompozitů především velkými deformacemi a řádovými rozdíly modulů pružnosti matrice a vláken. Chování matrice se popisuje hyperelastickými izotropními modely, pro výpočtové modelování složitějších těles je však nutný popis kompozitu jediným konstitutivním modelem. Dosavadní modely tohoto typu (Spencer, Holzapfel-Gasser-Ogden) vykazují významné odchylky od reality v případě kompozitu pryž-ocel. Předpokládá se, že by doktorská práce měla vést k vytvoření nových konstitutivních modelů těchto materiálů, na bázi např. Cosseratovy teorie elasticity, homogenizačních a průměrovacích metod a vypracování metodiky určování jejich materiálových parametrů.

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

7. Metody prostorové a spektrální charakterizace tepelných zdrojů záření a vlastností materiálů používaných ve světelné automobilové technice.

   Cílem této práce je návrh a následná realizace experimentálního měření tepelných vlastností povrchů polopropustných (pohltivost, emisivita a odrazivost sálání) a nepropustných (pohltivost, rozptyl a emisivita sálání) plastů, kovových materiálů a zdrojů záření v závislosti na vlnové délce. Spolupráce se společností ŠKODA AUTO pro přímou aplikaci při návrhu (teplotní dimenzování) a konstrukci předních a zadních světlometů osobních vozidel.

   Školitel: Horský Jaroslav, prof. Ing., CSc.

8. Modelování leteckého motoru pro hardware-in-the-loop simulaci

   Disertační práce se bude zabývat výzkumem a vývojem simulačního modelu leteckého motoru a jeho adaptace pro potřeby HIL simulace. Modelování bude prováděno na základě znalosti fyzikálních principů i na základě naměřených dat (gray box vs. black box přístup). Předpokládá se práce v prostředí Matlab/Simulink/dSPACE (modulární dSPACE HW), alternativně LabVIEW/PXI hardware. Práce bude prováděna v úzké koordinaci s průmyslovým partnerem (firmou UNIS/Mechatronické systémy).

   Školitel: Kratochvíl Ctirad, prof. Ing., DrSc.

9. Návrh a testování systémů řízení leteckého motoru

   Disertační práce se bude zabývat výzkumem a vývojem řídicí jednotky FADEC (Full Authority Digital Engine Control). Předpokládá se využití nástrojů pro automatické generování C kódu na bázi Matlab/Simulink (RT Workshop, RTW Embedded Coder, Polyspace). Pro adaptaci kódu bude použit jazyk TLC. 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 v úzké koordinaci s průmyslovým partnerem (firmou UNIS/Mechatronické systémy).

   Školitel: Kratochvíl Ctirad, prof. Ing., DrSc.

10. Návrh flexibilních kapilárních výměníků tepla

    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 llevně formovat do různých tvarů např. spirál. Navíc je flexibilitu kapilár možné účinně použít i při čištění jejich povrchů což je velký provozní problém. Identifikace množiny kompromisů mezi investičními a provozníma náklady poslouží jako vodítko pro průmyslové aplikace. Cílem je výzkum možností a limitů aplikace tepelných výměníků s dutými vlákny.

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

11. Návrh plastových výměníků tepla pro aplikace v silně znečištěném prostředí

    Cena energie nutí hledat nové zdroje. Jsou to například kanalizační sítě. Provoz výměníků tepla v takovém prostředí vyžaduje novou konstrukci s ohledem na mimořádně vysoký stupeň znečištění teplonosných medií a fakt, že prostředí je vhodné pro rychlý růst biomasy. Plastické výměníky jsou používány již řadu let. 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.

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

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

13. Popis porušování vrstevnatých polymerních prostředí

    Moderní polymerní materiály se navrhují často jako vrstevnaté. Vliv rozhraní mezi jednotlivými složkami polymeru má zásadní význam pro životnost kompozitních součástí. V tomto projektu je studován vliv materiálového rozhraní na chování trhliny, která je charakterizována pomocí zobecněných lomově mechanických parametrů. Protože se jedná zejména o šíření creepových trhlin v polymerních materiálech, které jsou poměrně silně visco-elastické, budou dosavadní poznatky a postupy pro stanovení životnosti zobecněny na tento typ materiálů. Výsledky numerických simulací budou porovnány s experimenty prováděnými na HDPE polymerních strukturách. Na základě zobecněného popisu a doporučení plynoucích z tohoto projektu bude možno lépe optimalizovat konstrukci vrstevnatých polymerních systémů.

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

14. Vliv rychlosti rázového zatěžování na napjatost, tuhost a spolehlivost bezpečnostního automobilového rámu.

    Bezpečnostní rámy závodních automobilů musí splňovat přísné tuhostní a deformační podmínky, ověřované při vysokém statickém zatěžování na základě mezinárodních předpisů. V případě nehody se jedná o rychlé zatěžování, spojené se šířením napěťových vln a s odlišným polem napětí a deformace. Cílem práce je posoudit odolnost a bezpečnost takto staticky ověřeného rámu za podmínek odpovídajících reálným nehodám při vysokých rychlostech. Pro řešení problému bude použito výpočtového modelování pomocí metody konečných prvků (MKP), využitím programu ANSYS (LS DYNA), resp. ABAQUS či NASTRAN s vhodným experimentálním ověřením. Důležitou součástí práce bude také výběr adekvátní podmínky mezního stavu pevnosti při rychlém (rázovém) zatěžování a její případná modifikace.

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

15. Výpočtová simulace mechanických zkoušek izolovaných živočišných buněk

    Jedná se o aktuální problematiku z oblasti biomechaniky. Téma práce je zaměřeno na výpočtové modelování deformačně-napěťových stavů vznikajících v izolovaných hladkých svalových buňkách při jejich mechanických zkouškách, na základě výsledků publikovaných ve světové literatuře. Výpočtový model by měl zahrnovat vnitřní strukturu buňky (jádro, cytoplasma, membrána, cytoskelet) a umožňovat identifikaci konstitutivních parametrů jednotlivých složek na základě mechanických zkoušek buňky. Tento model se následně použije pro určení deformačně napěťových stavů buňky v cévní stěně. Změna deformačně napěťových stavů buněk cévní stěny zpětně ovlivňuje patofyziologické, resp. biochemické procesy probíhající ve stěně tepny, takže znalost těchto stavů je velmi důležitá pro poznání podstaty aterosklerotických a remodelačních procesů v cévní stěně.

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

16. Výpočtová simulace procesů při válcování s využitím experimentálně získaných dat.

    Při válcování za tepla i za studena jsou pro kvalitu a ekonomičnost těchto procesů rozhodující oblasti, kde dochází k tváření materiálu a intenzivnímu přenosu tepla. Jedná se o válcovací mezeru a úsek chlazení. Numerická simulace umožňuje detailní poznání těchto procesů a jejich optimalizaci. Cílem práce je vyvinout numerický model procesů válcování a verifikovat s naměřenými daty, získanými s využitím teplotních a silových senzorů vyvinutých v Laboratoři přenosu tepla a proudění. Práce navazuje na předcházející činnosti, kdy byly vyvíjeny senzory a prováděna měření v laboratorních i průmyslových podmínkách. Předpokládá se další provádění experimentů a současný vývoj numerického modelu. Výsledky jsou bezprostředně aplikovatelné v praxi.

    Školitel: Horský Jaroslav, prof. Ing., CSc.

17. Výpočtová simulace procesu zpracování kovového odpadu

    Věrohodnost výsledků virtuálního navrhování strojních celků je při současné výkonnosti počítačové techniky rozhodující měrou závislá na znalosti a správné formulaci počátečních a okrajových podmínek při budoucím provozu navrhovaných zařízení. U strojů na zpracování kovového odpadu je rozhodujícím neznámým prvkem právě chování zpracovávaného materiálu, a to jak ve fázi lisování, tak i následného stříhání lisovaných paketů. Náplní a hlavním cílem práce bude proto vytvoření spolehlivého počítačového modelu obou zmíněných procesů, a to s ohledem na typické kombinace a statistické rozdělení velikostních, tvarových a pevnostních charakteristik zpracovávaného odpadu. Budou přitom tvůrčím způsobem využity zejména dosavadní poznatky a simulační postupy známé z oblasti velkých plastických deformací s uvážením mnohačetných kontaktů a modelů tvárného porušování materiálu. Dosažené výsledky budou konfrontovány se zkušenostmi a experimentálními výsledky, dosaženými ve spolupráci s firmou ŽĎAS, renomovaným výrobcem různých typů zařízení na zpracování odpadu. Verifikované modely budou dále využity k optimalizaci lisovacích a střižných postupů a ke koncepčnímu návrhu nové generace těchto zařízení z hlediska kinematiky, tuhosti a pohonů.

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

18. Vývoj metod in-line tepelného zpracování ocelových polotovarů

    Cílem je rozvoj metod kontinuálního tepelného zpracování válcovaných materiálů pro dosažení předepsané struktury a mechanických vlastností. Téma předpokládá značný rozsah studia matematických metod a experimentální práce s aplikacemi termomechanice Jedná se o interdisciplinární téma se zaměřením na teorii experimentu, metody měření, snímání a záznamu veličin a řízení technologického procesu. Řešení problematiky je materiálně zajištěno vybavením Laboratoře přenosu tepla a proudění a studium je vázáno na řešení výzkumných projektů sprchového chlazení. Předpokládá se podíl na řešení grantu GAČR zaměřeného na experimentální výzkum tepelných procesů.

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

19. Zlepšení diagnostiky a terapie aortálních výdutí s využitím výpočtového modelování

    Jedná se o aktuální problematiku z oblasti biomechaniky. Téma práce je zaměřeno na experimentálně-výpočtové modelování šíření tlakové vlny v tepnách lidského těla, především v aortě. Jedná se o modelování interakce kapaliny (přibližně newtonské) s nehomogenní stěnou tepny obecného geometrického tvaru, vykazující nelineární konstitutivní závislosti v důsledku velkých deformací a komplikované vnitřní struktury. V důsledku probíhajících změn geometrických a materiálových parametrů se deformačně napěťové stavy patologických tepen liší od tepen zdravých. Změny v geometrii a materiálových vlastnostech cévní stěny, především v případě aortálních aneurysmat, se projevují změnami ve tvaru a rychlosti šíření tlakové vlny. Cílem je vytvořit výpočtové modely simulující tyto změny a pokusit se o jejich využití pro neinvazívní diagnostiku aneurysmat, příp. zlepšení kvality výpočtových modelů používaných pro posuzování rizika ruptury zvýšením úrovně vstupních údajů a zahrnutím dalších podstatných faktorů.

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