Bachelor's Thesis

Periodic boundary conditions in mechanical problems

Final Thesis 2.24 MB

Author of thesis: Bc. Daniel Svoboda

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: prof. Ing. Jan Eliáš, Ph.D.

Reviewer: Ing. Rostislav Lang, Ph.D.

Abstract:

This bachelor thesis deals with homogenization of heterogeneous linearly elastic truss systems and periodic boundary conditions. The weak formulation of axially loaded bar is derived and the global stiffness matrix is assembled using the finite element method. Two methods for implementing periodic boundary conditions are described and compared: the dependent degree-of-freedom elimination method and the Lagrange multiplier method. Effective material parameters are then computed for an auxetic (bow-tie) lattice and a random Voronoi tessellation.

Keywords:

homogenization, heterogeneous materials, periodic boundary conditions, truss structures, representative volume element, effective material parameters

Date of defence

16.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student Daniel Svoboda představil komisi formou prezentace svou bakalářskou práci na téma Periodické okrajové podmínky v mechanických úlohách. Po přečtení hodnocení vedoucího a posudku oponenta předložené bakalářské práce byly v rámci obhajoby zodpovězeny a diskutovány otázky oponenta. Otázka 1: Kterou z implementovaných metod zavedení periodických okrajových podmínek by autor doporučil pro větší výpočetní úlohy a proč? Student odpovídá, že by použil metodu eliminace závislých stupňů volnosti a vysvětluje proč. Otázka 2: V kapitole 4.2 je průměrné napětí stanoveno pomocí Love-Weberova vztahu ze sil v jednotlivých prutech. Existuje i jiný způsob stanovení efektivního průměrného napětí, například s využitím reakcí nebo vazebních sil na hranici RVE? Pokud ano, popište princip tohoto postupu. Student uvádí, jakými způsoby lze stanovit průměrné napětí pomocí Lowe-Weberova vztahu. Otázka 3: Procesem homogenizace byla nejprve určena matice materiálových konstant Ds. Následně byly z této matice stanoveny efektivní parametry, například modul pružnosti E a Poissonovo číslo ν. Který z těchto popisů podle autora přesněji vystihuje skutečnou lineárně elastickou odezvu homogenizovaného materiálu? Za jakých podmínek by oba popisy byly ekvivalentní? Student odpovídá, že přesnější je matice materiálových konstant Ds a uvádí, že oba popisy by byly ekvivalentní v případě perfektně homogenního materiálu. V následné diskuzi k bakaléřské práci byly položeny následující otázky: Prof. Kala uvádí, že student 3D model nahrazuje příhradovou konstrukcí a ptá se, jak by to bylo obráceně? Zkoušel jste to? Student odpovídá, že to nezkoušel, ale ví o tom, že by to šlo a má k dispozici práci, která se tímto zabývá. Prof. Kala se doptává, jaké jsou v té práci výsledky - je možná verifikace? Student se domnívá, že ano a rozvádí svou odpověď. Diskutuje se o citlivostní analýze a ladění. Doc. Novák se ptá, jaká je časová náročnost u 2D úloh, které student řeší a jestli je reálný přechod do 3D? Student myslí, že to bude výrazně časově náročnější, ale nemá odhad. Záleželo by na mohutnosti úlohy. Doc. Novák se ptá na Voronoého teselaci a její výsledky v prezentaci. Student diskutuje o tom, že se domnívá, že chyba vznikla při generování struktury. Doc. Frantík se ptá, jestli student uvažoval přibližování k indefinitnímu případu, aby bylo testování průkaznější. Student odpovídá, že ano, že to zkoušel a uvádí podrobnosti.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Institute of Structural Mechanics

Study programme

Civil Engineering (BPC-SI)

Specialization

Building Construction (S)

Composition of Committee

prof. Ing. Zdeněk Kala, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Lukáš Novák, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Hana Šimonová, Ph.D. (člen)
Ing. Rostislav Lang, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Stanislav Seitl, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Petr Frantík, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
prof. Ing. Jan Eliáš, Ph.D.

Grade proposed by supervisor: A

File inserted by supervisor Size
formulář [.pdf] 69,86 kB

Reviewer’s report
Ing. Rostislav Lang, Ph.D.

Grade proposed by reviewer: A

File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta BP.pdf 157,17 kB

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová