Fakulta strojní Technické univerzity v Liberci Téma disertačních prací pro rok 2018/2019. Studijní program: APLIKOVANÁ MECHANIKA KMP KMP KMP

Transkript

1 Studijní program: APLIKOVANÁ MECHANIKA Téma disertační práce Školitel Katedra 1. Výzkum mechanických vlastností vibroizolačních materiálů a jejich modelování Anotace: Modelování a napěťově deformační analýza pružných strukturních materiálů. Předmětem práce je vytvoření simulačních modelů pružných materiálů s vnitřní porézní strukturou a jejich experimentální ověření. Příkladem takového materiálu je polyuretanová pěna, která je velmi často používána pro výrobu čalounění automobilových sedáků. Její vlastnosti účinně snižují vibrační zatížení sedící osoby a zvyšují komfort cestování. Během deformace takových vibroizolačních materiálů dochází k borcení strukturních prvků a dochází k maření energie způsobené materiálovým útlumem. Jedním z cílů práce je analyzovat způsoby disipace energie. Budou stanovovány přenosové charakteristiky zrychlení a další charakteristiky silových odezev při dynamickém namáhání. Výsledky tohoto výzkumu budou zohledněny při úpravě stávajícího materiálového modelu a následně experimentálně ověřeny. Zkoumány mohou být i další vibroizolační materiály. 2. Magnetosensitivní elastomery-experimentální a teoretický výzkum elastického a viskoelastického chování těchto chytrých kompozitů v závislosti na jejich složení a na aplikovaném magnetickém poli Anotace: Magnetosensitivní elastomery výzkum elastického a viskoelastického chování těchto chytrých kompozitů v závislosti na jejich složení a na aplikovaném magnetickém poli. Výzkum jejich útlumových vlastností a možného využití k řízené vibroizolaci. Vlastnosti magnetoreologických kompozitů s elastomerickou matricí, která obsahuje určitý objem železných mikročástic, mohou být rychle měněny pomocí magnetického pole. Předmětem práce bude experimentální výzkum vlivu materiálu matrice a mikročástic na výsledné vlastnosti kompozitu a numerické modelování odezvy kompozitu pomocí MKP na základě navrženého materiálového modelu. 3. Experimentální a teoretický výzkum mechanických vlastností kompozitů vyztužených vybranými typy hybridních textilií a numerické 1 doc. Ing. David Cirkl, prof. Ing. Bohdana Marvalová, CSc. prof. Ing. Bohdana Marvalová, CSc.

2 modelování jejich odezvy na mechanické zatížení pomocí MKP na základě vhodného materiálového modelu Anotace: Tyto kompozity jsou využívány v inovativních lehkých konstrukcích v leteckém a automobilovém průmyslu. Předmětem práce bude navržení a ověření typu hybridní textilní výztuže a způsobu jejího složení z různých materiálů s ohledem na požadovanou tuhost pevnost a odolnost kompozitu v souladu s technickými požadavky na funkci, zejména s ohledem na dynamické zatížení a impakt. Dále pak výzkum závislosti odezvy kompozitu na rychlost zatěžování a výzkum způsobu porušení kompozitu. 4. Výzkum chování pryžových kompozitů vyztužených textilními kordy a textiliemi a numerické modelování jejich odezvy pomocí MKP Anotace: Tyto kompozity jsou využívány v pneumatikách, dopravnících, vzduchových pružinách ap. Tuhost pryžových kompozitů a jejich směrové vlastnosti mohou být řízeny vhodným výběrem materiálu a směru vyztužujících textilií. Předmětem disertační práce bude zkoumání a popis odezvy pryžových kompozitů na termo-mechanické zatěžování. Deformace těchto kompozitů je nelineární anizotropní a je mnohem větší ve srovnání s klasickými kompozity. Odezva pryžových kompozitů na mechanické zatěžování závisí zároveň na rychlosti zatěžování. 5. Experimentální a teoretický výzkum mechanických vlastností kompozitů s matricí z akrylátové pryskyřice vyztužených přírodními vlákny a textiliemi z přírodních vláken. Numerické modelování jejich odezvy pomocí MKP na základě vhodného materiálového modelu Anotace: Experimentální a teoretický výzkum mechanických vlastností kompozitů s matricí z akrylátové pryskyřice vyztužených přírodními vlákny a textiliemi z přírodních vláken. Numerické modelování jejich odezvy pomocí MKP. Akrylátové pryskyřice jsou založené na vodní bázi a velmi dobře smáčí výztuž z přírodních vláken. Kompozit je 100 % zelený, neboť při jeho vytvrzování se neuvolňují žádné škodlivé organické látky. Tyto kompozity jsou lehké a jsou využívány v automobilovém a leteckém průmyslu. 6. Experimentální a teoretický výzkum elastomerů plněných částicemi ze slitin s magnetickou tvarovou pamětí Anotace: Tuhost, dynamické moduly a tlumení kompozitů s elastomerickou matricí plněných částicemi MSMA (např. Ni-Mn-Ga) jsou řízeny vnějším magnetickým polem. MSMA vykazují vysokou magnetostrikci a velké změny rozměrů, dynamických vlastností a tlumení jako odezva na vnější magnetické pole s relativně nízkou intensitou. Předmětem 2

3 disertace je experimentální a teoretický výzkum vlivu materiálu matrice a MSMA částic na výsledné vlastnosti kompozitů, navržené konstitutivní vztahy a numerické modelování odezvy pomocí MKP založené na vhodném materiálovém modelu. Zvažuje se také vyšetřování tlumicích vlastností s ohledem na budoucí použití pro řízení vibrací. 7. Experimentální a teoretický výzkum magnetoreologických pěn sestávajících z magneticky permeabilních částic velikosti mikronů dispergovaných v pěnové matrici Anotace: Magnetoreologické pěny jsou novou třídou lehkých inteligentních materiálů založených na polymerní matrici plněnou magnetickými mikročásticemi. Aplikace magnetického pole během pěnění vzorků indukuje uspořádání magnetických částic. Mikročástice zlepšují mechanickou tuhost a dynamický modul. Magnetoreologické chování je dosaženo při poměrně nízké intenzitě magnetického pole. Předmětem výzkumu je příprava MR pěn a určení jejich elastické a viskoelastické odezvy na tlakové kvazistatické a dynamické zatížení. 8. Experimentální a teoretický výzkum chování polymerů s tvarovou pamětí (SMP) Anotace: Vlastnosti a odezva SMP jsou řízeny vnějšími poli elektrickými, magnetickými, tepelnými a jinými. Předmětem disertační práce je experimentální a teoretický výzkum vlivu vnějších podnětů na výsledné vlastnosti SMP, návrh konstitutivních vztahů a numerické modelování odezvy pomocí MKP založené na vhodném materiálovém modelu, dále zkoumání mechanických vlastností z hlediska možných aplikací. 9. Měření teplotního pole v okolí kolabující kavitační bublinky s využitím (PLIF) V současné době existuje minimum informací o rozložení teplot v okolí kolabujících bublinek. Metody jako PLIV (Planar Laser-induced Fluorescence) mohou zaznamenat vývoj teplotního pole v čase i pro rychlé jevy, jakými jsou právě kolapsy bublin. Téma je zaměřeno zejména na návrh a realizaci experimentu pro měření teplotního pole v okolí kolabující bublinky s využitím PLIF. Součástí tématu je i příprava teoretického popisu rozložení teplot v okolí kolabující bublinky a jeho korelace s experimentem. Téma může výrazně přispět k predikci kavitačního poškození. 10. Využití kavitace ke zpevňování povrchů strojních součástí Termín kavitace je spojován především s poškozením čerpadel a turbín. Pokud je však 3 Školitel specialista Ing. Miloš Muller, Doc. Ing. Tomáš Vít,

4 působení kavitace omezeno na úsek takzvané inkubace, lze ji využít jako náhradu technologií mechanického zpevňování povrchů. Téma je zaměřeno na teoretický návrh systému, který umožní využít kavitaci při zpevnění a jeho ověření experimentem. V rámci řešení bude třeba důkladně identifikovat odezvu materiálu na působící kolabující bublinku a následně stanovit optimální dobu působení kavitačního pole i jeho intenzitu. Výsledky řešení mohou sloužit jako podklad pro průmyslový návrh zařízení pro zpevňování povrchů s využitím kavitace. 11. Numerické modelování a experimentální ověřování proudění v pružných kanálech s důrazem na proudění v cévách Kavitace je jevem, který se může vyskytovat v lidském těle v místech, kterými proudí krev. Interakce vzniklých bublin se stěnami cév a tepen, případně dalších orgánů může způsobovat jejich poškození, případně ucpání. Téma je zaměřeno zejména na numerické simulace kavitujicího proudění v pružných kanálech reprezentujících různé části lidského těla, a to metodou FSI (Fluid Solid Interaction), které kombinuje výpočty CFD (Computational Fluid Dynamic) a FEM (Finite Element Method). V rámci tématu bude třeba identifikovat a implementovat materiálový popis orgánů a sestavit ověřovací experimenty. Výsledky řešení mohou pomoci při identifikaci některých druhů poškození orgánů v důsledku přítomnosti kavitace, případně aplikaci operačních postupů, při kterých ke kavitaci dochází. 12. Smart materiály v aplikacích energetických procesů Chytré materiály se stále častěji uplatňují v oblasti zachycování, ukládání a opětovného uvolňování hmoty a tepla. Existuje celá řada aplikací chytrých materiálů od zachycování plynů až pro ukládání různých forem energie. Předmětem výzkumu bude popis procesu a jeho zdokonalení s ohledem na účinnost a opakovatelnost. Výzkum se bude rovněž věnovat skutečnosti, že chytré materiály ztrácejí svoje vlastnosti během jejich využívaní. Hlavní pozornost bude věnována materiálu TiO2 a podobných materiálů užívaných v oblasti výrobních technologií a ukládání tepla. Jednotlivé části práce budou zahrnovat návrh experimentů, výběr vhodných měřících metod, sestavení matematických modelů a jejich verifikaci. 13. Neizotermická vírová řada v kapalinách a plynech Předmětem této práce je obtékání ohřívaného tělesa v režimu periodického úplavu. Jak známo, ohřev ve vzduchu má stabilizující vliv na úplav, tzn. snižuje frekvenci odtrhávání vírů, popř. může vírovou řadu zcela potlačit. Naopak ohřev ve vodě má účinek 4 Školitel specialista Ing. Miloš Muller, Školitel specialista Ing. Miloš Muller, Prof. Ing. Karel Fraňa, Doc. Ing. Zdeněk Trávníček, CSc. Doc. Ing. Tomáš Vít, /ÚT

5 destabilizující, tj. zvyšuje frekvenci odtrhávání vírů nebo může způsobit vznik vírové řady. Jak ukazují výsledky z posledních let, pro zobecnění poznatků prozatím není dostatek údajů. Cílem práce je experimentální vyšetřování optickými metodami a termoanemometrickým měřením. 14. Vlastnosti teplosměnných kapalin na bázi vody v podchlazeném metastabilním stavu Předmětem práce bude experimentální a teoretický výzkum termofyzikálních vlastností teplosměnných kapalin na bázi vody, tj. směsí vody s alkoholy (např. etylen glykol, metanol) a solemi (NaCl, CaCl2). Vlastnosti vybraných směsí budou studovány jednak v termodynamicky rovnovážném stavu a dále pak v metastabilním podchlazeném stavu při teplotách nižších než je teplota tuhnutí. V experimentální části bude měřeno zejména povrchové napětí pomocí aparatury vyvinuté v Laboratoři kinetiky fázových přechodů na ÚT AV ČR případně hustota a tepelná vodivost pomocí komerčních přístrojů. V teoretické části budou vyvíjeny korelace vybraných vlastností využitelné v praktickém návrhu chladících okruhů spolu s moderní stavovou rovnicí PC-SAFT spojenou s gradientní teorií umožňující modelování fázových rozhraní a nukleace. Zájemce o téma by měl mít kladný vztah jak k experimentálnímu výzkumu, tak k technickým výpočtům a programování. 15. Experimentální vyšetřování teplotní a hybnostní mezní vrstvy Dizertační práce se bude zabývat vyšetřováním teplotní a mezní vrstvy v blízkosti stěny, kolem které proudí tekutina v intervalu nízkých Reynoldsových čísel. Bude studován vliv povrchových parametrů stěny (např. drsnost, žebrování či hydrofobní úpravy) na stabilitu a charakter toku, rovněž bude studován vliv teplotního gradientu na stabilitu a charakter toku. Pro prvotní experimenty bude požita metoda vizualizace, hlavní experimenty pak budou prováděny metodami 2D a 3D PIV (particle image velocimetry) a CTA (constant temperature anemometry). Veškeré výsledky student důkladně zanalyzuje a porovná s teorií a pracemi ostatních autorů. Důležitou části disertační práce bude literární rešerše studované problematiky. Experimentální část výzkumu bude probíhat výhradně na pracovišti Technické univerzity v Liberci. Analýza výsledku spolu s teoretickou částí bude probíhat v úzké spolupráci s Ústavem termomechaniky AV ČR, v. v. i. v Praze 16. Ejektory a jejich využití v ejektorovém chlazení Výzkum vlivu jednotlivých parametrů nadzvukového ejektoru a chladicího ejektorového systému na účinnost systému a na stabilitu funkce. 5 Ing. Václav Vinš, Ing. Petra Dančová, Ing. Václav Vinš, Ing. Petra Dančová, /ÚT /ÚT

6 17. Deskové výměníky tepla Rozvoj návrhových metod, hodnocení výměníků z hlediska minimalizace produkce entropie a další parametry, experimentální ověření, vývoj metodiky měření. 18. Experimentální a numerické vyšetřování součinitele přestupu tepla Dizertační práce se bude zabývat určením přestupu tepla na desce odlišné teploty od teploty dopadající tekutiny z trysky. Dále bude v práci zkoumáno teplotní a rychlostní pole dopadající tekutiny. Experimenty budou provedeny metodami CTA (constant temperature anemometry) pro určení rychlosti a součinitele přestupu tepla, DHI (digital holographic interferometry) pro určení teplotních polí a 3D PIV (particle image velocimetry) pro určení rychlostních a tlakových polí. Na základě experimentů budou provedeny numerické simulace pomocí FVM. Veškeré výsledky student důkladně zanalyzuje a porovná s teorií a pracemi ostatních autorů. Důležitou části disertační práce bude literární rešerše studované problematiky. 19. Vývoj numerických metod pro řešení úloh dynamiky kontinua Cílem disertační práce je vývoj a implementace moderních numerických metod pro efektivní řešení úloh šíření vln napětí v poddajných tělesech s uvažováním kontaktních okrajových podmínek. Navržené algoritmy budou uplatněny pro řešení nelineární dynamické odezvy konvenčních i moderních materiálů na bázi struktur vyrobených aditivními technologiemi. Součástí disertační práce je rovněž verifikace navržených metod, jejich validace s experimentem a aplikace v průmyslových problémech. Doc. Ing. Tomáš Vít, Ing. Petra Dančová, Ing. Dušan Gabriel,, Ing. Radek Kolman, ÚT / 6