15. seminář ÚK Michal Vaverka: Přehled řešených projektů FSI VUT v Brně Ústav konstruování Technická 2896/2 616 69 Brno Česká republika http://uk.fme.vutbr.cz/ e-mail: vaverka@fme.vutbr.cz 21.dubna.2006 1/23
Profil Vzdělání 2000, Ing., FSI VUT v Brně, obor Aplikovaná mechanika, specializace Inženýrská mechanika 2000 - doktorské studium, Ústav mechaniky těles, mechatroniky a biomechaniky FSI VUT v Brně, specializace Aplikované vědy v inženýrství biomechanika Praxe 2001, strojírenský technik, Ústav mechaniky těles FSI VUT v Brně 2004, strojírenský technik, Ústav mechaniky těles, mechatroniky a biomechaniky FSI VUT v Brně 2004-dosud, asistent, Ústav konstruování FSI VUT v Brně 2/23
Osnova Doktorské studium - biomechanika Vědeckovýzkumná činnost - tribologie Pedagogická činnost na ÚK Další výzkumné projekty a záměry 3/23
Biomechanika kyčelního kloubu Biomechanická studie patologicky vyvinutých kyčelních kloubů z hlediska následných chirurgických operací Onemocnění kyčelního kloubu jsou spojena s nepříznivými (patologickými) silovými poměry v kloubu Vývojová dysplazie kyčelního kloubu Legg Calvé Perthesova choroba Coxa vara adolescentinum Coxa vara congenita Poškození kyčle v důsledku dětské mozkové obrny Artróza kyčelního kloubu Revmatoidní artritida Residuální dysplasie Nádorová onemocnění Poškození kyčelního kloubu úrazem Př: postupná deformace hlavice stehenní kosti u Perthesovy choroby 4/23
Klinické řešení problémů kyčelního kloubu Osteotomie pánve Osteotomie femuru Chirurgické zákroky vedou na upravení deformačně napěťových parametrů provedením úprav vzájemné polohy částí kloubu nebo modifikací či rekonstrukcí jejich geometrie. Chirurgický zákrok je motivován zlepšením funkčních poměrů v kyčelním spojení blížících se fyziologickému stavu. Chybí poznatky o mechanických veličinách odpovídajících různým patologickým stavům v kyčelním kloubu. 5/23
Cíl práce Cílem práce je zjistit deformačně napjatostní parametry v kyčelním spojení ve fyziologickém stavu a ve vybraných patologických stavech kyčelního kloubu. Úkolem je vytvořit prostorové výpočtové modely fyziologického a patologického kyčelního spojení dospělého a dospívajícího člověka, s jejich využitím provést deformačně napjatostní analýzu a formulovat závěry pro klinickou praxi. Analýzy jsou prováděny v systému ANSYS pomocí MKP Problematika je řešena ve spolupráci s lékaři v KDCHOT FN Brno 6/23
Výpočtové modelování kyčelních kloubů Tvorba geometrického a výpočtového modelu CT vyšetření CT řezy MKP model Geometrický model 7/23
Výpočtové modelování kyčelních kloubů Vazby a zatížení MKP model zdravého kloubu MKP model patologického kloubu 8/23
Výsledky výpočtového modelování Zdravý kloub dospělého člověka Stykový tlak v jamce (acetabulum) Stykový tlak na hlavici femuru 9/23
Výsledky výpočtového modelování Radiální napětí v celém kyčelním spojení a v acetabulu Napětí ve směru osy krčku femuru 10/23
Výsledky výpočtového modelování Zdravý kloub dospívajícího člověka s kulovou hlavicí femuru Patologický kloub dospívajícího člověka se značně deformovanou hlavicí femuru 7x větší tlak 11/23
Výsledky výpočtového modelování Vliv kolodiafyzárního úhlu na napětí v krčku a stykový tlak v kloubu 12/23
Tribologie cíl práce team: M. Vrbka, M. Vaverka, I. Křupka, M. Hartl, R. Poliščuk, L. Urbanec Cílem práce je určovat rozložení stykového tlaku v bodovém EHD kontaktu z experimentálně stanovených tlouštěk mazacího filmu Kolorimetrická interferometrie Tloušťka mazacího filmu Rozložení stykového tlaku? 13/23
Výpočet kontaktního tlaku z tloušťky mazacího filmu 1. Přístup: teorie pružnosti (kontaktní mechanika) inversní úloha Tloušťka mazacího filmu Rozložení stykového tlaku 14/23
Výpočet stykového tlaku pomocí MKP 2. Přístup: MKP Tloušťka mazacího filmu Rozložení stykového tlaku 15/23
Porovnání výsledků Hladký kontakt Kontakt narušený vtiskem cizí částice 16/23
Napjatostní analýza prvků protézy DK team: D. Paloušek, M. Vrbka, M. Vaverka 17/23
Pedagogická činnost I. stupeň, 3. ročník: - magisterské studium Části a mechanismy strojů I Části a mechanismy strojů II Části a mechanismy strojů III Části a mechanismy strojů II. stupeň, 1. ročník: - specializace Počítačová podpora konstruování MKP a ANSYS Výpočtové nadstavby pro CAD Vedení bakalářských a diplomových prací Tvorba studijních opor Anglizace výuky 18/23
Pedagogická činnost MKP a ANSYS Výpočtové nadstavby pro CAD Základní veličiny a rovnice obecné pružnosti. Úvod do MKP MKP jako variační metoda Základní myšlenka MKP základní maticové rovnice MKP) Prutové prvky, nosníkové prvky Tělesové prvky ve 2D a 3D - isoparametrické prvky Skořepinové prvky. Řešení základní soustavy rovnic (přímé a iterační metody řešení) Konvergence a odhad chyby řešení (vliv hustoty sítě, adaptivní tvorba sítě, h-metoda, p-metoda) MKP v dynamice Úvod do nelineárních úloh mechaniky kontinua Řešení nelineárních úloh pomocí MKP - Geometrická nelinearita, materiálová nelinearita - plasticita Řešení nelineárních úloh pomocí MKP - Kontaktní úlohy Dynamické úlohy I. modální analýza Dynamické úlohy II. - harmonické kmitání, přechodové kmitání Dynamické úlohy III. - implicitní a explicitní algoritmus MKP, rychlé dynamické děje Ztráta deformační stability (buckling) Pokročilejší kontaktní úlohy Teplotní úlohy I - stacionární vedení tepla Teplotní úlohy II. - nestacionární vedení tepla Teplotní úlohy III.- teplotní napjatost Základy APDL (tvorba maker, parametrické modelování, programování) Lineárně elastická lomová mechanika Analýza proudění Ansys, Workbench, Cosmos DesignSTAR 19/23
Řešené projekty GAČR 101/01/0974 (2001-2003, řešitel Prof. Janíček): Specifické biomechanické problémy kyčelních endoprotéz a jejich řešení modelováním MSM262100024 (2002-2004, řešitel Prof. Kratochvíl): Výzkum a vývoj mechatronických soustav GAČR 101/03/0525 (2003-2005, řešitel Doc. Hartl): Studium únavového poškození elastohydrodynamicky mazaných třecích povrchů narušených vtiskem cizí částice GAČR 101/05/0136 (2005-2007, řešitel Prof. Janíček) : Klinické biomechanické problémy velkých kloubů člověka MSM0021630508 (2005-2010, řešitel Prof. Cihlář): Anorganické materiály a nanostruktury: vytváření, analýza, vlastnosti FP 330019 (2003, řešitel Dr. Vrbka): Napěťově deformační analýza fyziologického a patologického kyčelního kloubu BD 134 3022 (2004 řešitel Dr. Vrbka): Deformačně napěťová analýza fyziologicky a patologicky vyvinutých kyčelních kloubů dětí a dospělých 20/23
Závěr a výhled do budoucna Biomechanika Bylo vytvořeno několik výpočtových modelů kyčelního kloubu dospělého a dospívajícího člověka. Dále je třeba vytvořit modely dalších patologií kyčle a simulovat na nich chirurgické zákroky (osteotomie). Tribologie Pomocí vlastního zařízení jsme schopni měřit tloušťku mazacího filmu reálných povrchů za různých provozních podmínek u velmi tenkých mazacích filmů a dále jsme schopni z této tloušťky vypočítat kontaktní tlak, který je rozhodující veličinou pro hodnocení mezních stavů (pitting, zadrání, opotřebení). Metodu výpočtu tlaku je třeba odladit pro experiment, zrychlit a implementovat do stávajícího software. Dále je třeba realizovat měření tloušťky mazacího filmu a výpočty tlaku pro různé geometrie dentů a různé uspořádání dentů Pedagogická a další vědeckovýzkumná činnost Doplnění otázek do zkouškového systému pro ČMS Rozšíření studijních opor, další anglizace výuky Řešení grantových (postdok.) a jiných projektů 21/23
Když se práce stane koníčkem 22/23
Děkuji za pozornost 23/23