Master's Thesis

Computational modelling of a composite piezoelectric sensor for determination of vibration characteristics

Final Thesis 1004.02 kB Appendix 133.63 kB

Author of thesis: Bc. Jan Smolek

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Miroslav Hrstka, Ph.D.

Reviewer: Ing. Jan Bajer

Abstract:

The master thesis deals with computational modeling of a composite piezoelectric sensor for determining vibration characteristics of a thin steel plate. The designed sensor consists of three PZT-5A fibers embedded in a UV resin at 120°. Its finite element model has been built in Ansys Mechanical as a coupled-field harmonic problem and the obtained frequency response functions have been compared with a vibration test of the prototype
on an electrodynamic shaker. Based on the rosette arrangement of the fibers, an analytical algorithm for identifying the position of the unbalance source on the plate from the voltages on the three fibers has been derived.

Keywords:

piezoelectric sensor, composite sensor, AFC, MFC, PZT-5A, finite element method, vibration characteristics, rosette configuration, piezoelectric metamaterials

Date of defence

10.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaCznamka

Grading

C

Process of defence

Student ve vymezeném čase prezentoval svou závěrečnou práci. Následně byly přečteny posudky vedoucího a oponenta spolu s přiloženými dotazy, na které student odpověděl. Následně student zodpověděl doplňující dotazy: Jaký byl zdroj dat pro piezoelektrická vlákna? Co bylo převzato, co měřeno a co kalibrováno? Co bylo primárním účelem sestavení výpočetního modelu? Je v senzoru obsažena směrová informace? Po zodpovězení všech dotazů bylo vystoupení hodnoceno jako: C – dobře.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Engineering Mechanics and Biomechanics (N-IMB-P)

Specialization

Engineering Mechanics (IME)

Composition of Committee

prof. Ing. Jan Vimmr, Ph.D. (předseda)
prof. Ing. Luboš Náhlík, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. Jindřich Petruška, CSc. (člen)
prof. RNDr. Michal Kotoul, DrSc. (člen)
prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Pavel Hutař, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jaroslav Zapoměl, DrSc. (člen)
Ing. Jaroslav Suchánek (člen)
doc. Ing. Tomáš Návrat, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Miroslav Hrstka, Ph.D.

Diplomová práce vznikla jako dílčí úkol pro projekt GAČR a navazuje na diplomovou práci z předchozího roku, kde bylo úkolem prozkoumat výrobní možnosti piezoelektrických senzorů vyrobených z dostupných materiálů a dílů. Práce je rozdělena do tří hlavních úkolů – výroba senzoru pro určení hlavních směrů napětí, výpočtový model a ověření experimentem. V úvodní části je navíc pojednáno o současných trendech v o oblasti AFC a MFC senzorů. Pan Smolek začal řešit úkoly už v létě loňského roku, pravidelně se účastnil konzultací a testování. Na začátku bylo třeba vyřešit nanášení elektrod, pro což navrhl zlepšení metody z předchozí práce, kde bylo zjištěno, že přesný tvar a tloušťka má podstatný vliv na výsledné vlastnosti po pólování. Řešení spočívalo v zalévání nepolarizovaných vláken opatřených elektrodami epoxidovou pryskyřicí tvrzenou UV světlem do silikonových forem, které byly navrhnuty ve spoluprací s laboratoří biomechaniky ÚMTMB. Polarizace byla pak provedena na Ústavu fyziky na FEKT. Dále pak autor vytvořil výpočtový model v nejnovější verzi softwaru ANSYS 2025, která disponuje technologií coupled-field analýz. Z původní jednoduché analýzy plechu a senzoru musel přistoupit k rozšíření modelu o předepjaté šrouby. Z vlastní iniciativy nechal vyrobit plech a vzorky pro tahovou zkoušku. Srovnání s experimentem pak přineslo velmi dobrou shodu. Závěrečnou práci doporučuji k obhajobě s výslednou známkou B.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu B

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Jan Bajer

Předložená diplomová práce se zabývá aktuálním a inženýrsky zajímavým tématem výpočtového modelování kompozitního piezoelektrického senzoru. Autor navrhl specifické uspořádání senzoru se třemi PZT-5A vlákny, vytvořil jeho elektromechanicky svázaný model v prostředí Ansys Mechanical a získané frekvenční přenosové charakteristiky porovnal s vibrační zkouškou prototypu na elektrodynamickém shakeru. Na závěr odvodil analytický algoritmus pro identifikaci polohy zdroje nevývahy. Z hlediska odborného přínosu a splnění cílů zadání odvedl autor velký kus práce. Oceňuji komplexnost přístupu, která propojuje analytický návrh, pokročilé MKP modelování a realizaci praktické experimentální validace. Navzdory těmto nesporným pozitivům je však celkový dojem z práce zásadně degradován jejím formálním zpracováním, strukturálním chaosem a velmi slabou prezentací vlastních výsledků.
Prezentace metody konečných prvků je chaoticky rozprostřena napříč celou prací (např. sekce 3.3 řeší souřadný systém, 3.5 odporovou zátěž, 6.4 měřicí přístroje s další zmínkou o MKP. V samotné kapitole, která je pro MKP vyčleněna, kde by mělo být popsáno, jak byly tyto prvky modelovány, se toho čtenář moc nedozví.
V práci je patrný silný kontrast mezi pasážemi, které byly generovány pomocí nástrojů umělé inteligence nebo mechanicky přeloženy bez jakékoliv odborné a jazykové korekce, a pasážemi, které autor psal zřejmě sám. V textu se objevují nespisovné obraty jako „budoucích pracech“ (sekce 2.7), „pohodlně měřitelné“ (3.3), „na konci statiky se zafixuje“ (5.8.1) či „hlavním podezřelým zdrojem nelinearity“ (5.10.1). Použití termínu „původrys“ pro pohled shora (Obr. 5a) je taktéž nevhodné. Dále se v textu nacházejí faktické i logické nesmysly, např. „elektrické pole je sbíráno“ (3.3) nebo tvrzení, že „bubliny v okolí vláken mohou způsobit lokální ztrátu elektrického kontaktu“. V sekci 6.3.1 autor uvádí, že „vzorkovací frekvence řídicí jednotky Spider-81 odpovídala nastavení uživatelského projektu“, nikde však již nespecifikuje, jaká konkrétní hodnota to byla. V tabulce 6 se navíc nachází zjevný chyba v překladu („kondicionér je vstupem do Spider-91“).
V práci se objevují opakující se celé věty a odstavce. Kapitoly 3.4 (polarizace) a 4.3 jsou prakticky identické, stejně jako sekce 6.1.2 a 6.3.2. V textu často chybí odkazy na klíčové prvky. Zcela chybí odkaz na tabulku 3, obrázek 12 a celou řadu rovnic (např. 2.1, 2.2, 3.1–3.5, 3.8).
Některé grafické podklady postrádají kvalitu nebo smysl – obrázek 10 je zbytečně velký, přičemž samotný senzor zabírá pouze třetinu plochy; obrázek 16 je špatně čitelný a absolutně nekoresponduje se svým popiskem; obrázek 17 (popisovaný jako budící část) vyobrazuje pouze řídicí techniku, nikoliv samotné mechanické buzení; obrázky 18 až 20 jsou redundantní, zobrazují totéž, pouze z odlišného úhlu.
Předložená diplomová práce sice přináší funkční řešení a cíle zadání byly i přes výše uvedené výhrady splněny. Nicméně strukturální nekonzistence a zanedbaná finální kontrola textu výrazně snižují celkovou hodnotu práce.
Práci doporučuji k obhajobě a vzhledem k formálním a prezentačním nedostatkům navrhuji hodnocení známkou C / dobře.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry C
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti D
Grafická, stylistická úprava a pravopis D
Práce s literaturou včetně citací B
Topics for thesis defence:
  1. V úvodu 5. kapitoly uvádíte, že frekvenční rozsah 80–150 Hz byl zvolen z důvodu výskytu první vlastní frekvence. V textu však chybí popis metodiky, jakou byla tato hodnota zjištěna. Na základě čeho jste ji tedy určil?
  2. V sekci 5.4 uvádíte, že pro každé vlákno byl vytvořen lokální souřadný systém pro zajištění správného směru polarizace materiálu, přičemž lokální osy z jsou orientovány shodně s globální osou z. V čem přesně se tyto lokální systémy mezi sebou liší a jaký to má důvod vzhledem k prostorovému uspořádání vláken.
  3. V sekci 5.9.5 se zmiňujete o aplikaci elektrických okrajových podmínek v MKP modelu. Na které konkrétní plochy či povrchy PZT vláken byly tyto podmínky aplikovány?

Grade proposed by reviewer: C

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová