Prezenční studium

4 roky

prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D.

Předseda :
prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D.
Člen interní :
prof. RNDr. Michal Kotoul, DrSc.
prof. Ing. Ivo Dlouhý, CSc.
prof. Ing. Jindřich Petruška, CSc.
doc. Ing. Robert Grepl, Ph.D.
prof. Ing. Miroslav Raudenský, CSc.
doc. Ing. Jaroslav Katolický, Ph.D.
Člen externí :
prof. Ing. Luboš Náhlík, Ph.D.

Studijní program Inženýrská mechanika je zaměřen na přípravu vysoce kvalifikovaných odborníků s předpoklady pro vědeckou práci, zvládajících moderní výpočtové a experimentální metody ve vědní oblasti mechaniky těles, včetně specifických oblastí mechatroniky a biomechaniky. Cílem studia je poskytnout studentům potřebné teoretické znalosti a praktické zkušenosti z oblastí mechaniky odpovídajících tématu doktorského studia. K dosažení stanovených cílů a profilu studenti absolvují předměty předepsané jejich Individuálním studijním plánem, čímž je vytvořen teoretický základ pro zvládnutí tématu na nejvyšší úrovni. Praktické zvládnutí tématu pak prokazují absolvováním Státní doktorské zkoušky a vypracováním a obhájením Doktorské disertační práce.

Absolvent doktorského programu Inženýrská mechanika má vysoce specializované odborné znalosti a kompetence zejména v moderních výpočtových a experimentálních metodách ve vědní oblasti aplikované mechaniky, případně mechatroniky nebo biomechaniky, a v jejich využití ve výzkumu a vývoji v technické i medicínské oblasti. Současně má i odbornou adaptabilitu, což dává velké šance pro uplatnění jak ve výzkumu a vývoji, tak i v oblasti technických výpočtů a v manažerských pozicích. Dokladem toho jsou absolventi, působící nejen v akademické i privátní výzkumné sféře, ale i v malých výpočtových a softwarových firmách, a to i na vedoucích a manažerských pozicích konstrukčních, výpočtových a vývojových oddělení nebo obchodních zastoupení mezinárodních společností. S pronikáním počítačového modelování a podpory do oblasti medicíny lze předpokládat uplatnění biomechaniky nejen v této mezioborové sféře výzkumu a vývoje, ale i v nově vznikajících pozicích počítačové podpory v nemocnicích a na klinických pracovištích.

Absolvent doktorského programu Inženýrská mechanika má vysoce specializované odborné znalosti, ale současně i odbornou adaptabilitu, což dává velké šance pro uplatnění jak ve výzkumu a vývoji, tak i v oblasti technických výpočtů a manažerských pozicích. Dokladem toho jsou absolventi, působící nejen v akademické i privátní výzkumné sféře, ale i v malých výpočtových a softwarových firmách, a to i na vedoucích a manažerských pozicích konstrukčních, výpočtových a vývojových oddělení nebo obchodních zastoupení mezinárodních společností. S pronikáním počítačového modelování a podpory do oblasti medicíny lze předpokládat uplatnění biomechaniky nejen v této mezioborové sféře výzkumu a vývoje, ale i v nově vznikajících pozicích počítačové podpory v nemocnicích a na klinických pracovištích.

Viz platné předpisy, Směrnice děkana Pravidla pro organizaci studia na fakultě (doplněk Studijního a zkušebního řádu VUT v Brně).

Pravidla a podmínky pro tvorbu studijních programů určují:
ŘÁD STUDIJNÍCH PROGRAMŮ VUT,
STANDARDY STUDIJNÍCH PROGRAMŮ VUT,
STUDIJNÍ A ZKUŠEBNÍ ŘÁD VUT,
SMĚRNICE DĚKANA Pravidla pro organizaci studia na fakultě (doplněk Studijního a zkušebního řádu VUT v Brně),
SMĚRNICE DĚKANA FSI Jednací řád oborových rad doktorských studijních programů FSI VUT v Brně.
Studium v DSP se neuskutečňuje v kreditovém systému. Klasifikační stupně jsou „prospěl“, „neprospěl“, u obhajoby disertační práce je výsledek „obhájil“, „neobhájil“.

Na VUT jsou zohledněny potřeby rovného přístupu k vysokoškolskému vzdělávání. V přijímacím řízení ani ve studiu nedochází k přímé či nepřímé diskriminaci z žádných důvodů. Studujícím se specifickými vzdělávacími potřebami (poruchy učení, fyzický a smyslový handicap, chronická somatická onemocnění, poruchy autistického spektra, narušené komunikační schopnosti, psychická onemocnění) je poskytováno poradenství v poradenském centru VUT, které je součástí Institutu celoživotního vzdělávání VUT. Podrobně tuto problematiku řeší Směrnice rektora č. 11/2017 „Uchazeči a studenti se specifickými potřebami na VUT“. Rovněž je vytvořen funkční systém sociálních stipendií, který popisuje Směrnice rektora č. 71/2017 „Ubytovací a sociální stipendium“.

Doktorský studijní program Inženýrská mechanika je pokračováním aktuálně akreditovaného navazujícího magisterského studijního programu Inženýrská mechanika a biomechanika. Zaměřuje se však obecněji na absolventy navazujících magisterských studijních programů v různých oborech mechaniky a mechatroniky, příp. matematického, fyzikálního nebo materiálového inženýrství, jejichž absolventům umožňuje pokračovat ve třetím stupni studia a dosažením vědecké hodnosti Ph.D. prokázat schopnost vědecké práce.

1. Adaptivní řízení a odhad stavů dynamických systémů s využitím lokálních lineárních modelů

   Práce se bude zabývat výzkumem v oblasti řízení a identifikace nelineárních dynamických systémů s využitím metod založených na myšlence lokálních lineárních modelů (Lazy Learning, LWR, RFWR). Identifikovaný inverzní dynamický model bude použit jako feedforward kompenzátor ve struktuře kompozitního regulátoru. Výsledky výzkumu budou experimentálně ověřeny na reálných soustavách dostupných v Mechatronické laboratoři (výukové modely, automobilové aktuátory, apod.) s použitím výpočetního prostředí Matlab/Simulink a dostupných hardwarových prostředků. Následně se předpokládá implementace vhodných algoritmů ve formě samostatné řídící jednotky s mikrokontrolerem.

   Školitel: Grepl Robert, doc. Ing., Ph.D.

2. Analýza koncentrace napětí ve vrcholu trhliny v kostní tkáni

   Přítomnost trhliny v kostní tkáni může zapříčinit traumatickou nebo patologickou frakturu kosti vlivem vnějšího mechanického zatěžování nebo onemocnění kosti. Kost se však dokáže, jako jedna z mála tkání v lidském těle, po narušení své celistvosti, dostat do anatomicky a funkčně stejného stavu jako před úrazem. Cílem disertační práce bude studium vlivu koncentrace napětí před čelem trhliny na další šíření již existující trhliny v kostní tkáni, schopnost kostní tkáně se remodelovat a eliminovat tak fatální poškození kosti. Předpokládá se analýza dvouúrovňového modelu trhliny, makroskopického a mikroskopického. Na makroskopický model trhliny bude aplikována teorie klasické lineární lomové mechaniky. V případě mikroskopické trhliny, vzhledem k mikroarchitektuře kosti, se kvalitativně měnícharakter napjatosti ve vrcholu trhliny. Dominance součinitele intenzity napětí je potlačena, napětí před čelem trhliny nabývají konečných hodnot a hnací síla trhliny závisí na délkové materiálové charakteristice odvozené z denzity kosti.Tento fakt lze popsat zjednodušeným modelem mikrotrhliny pomocí tzv. gradientní pružnosti, s jejíž pomocí je možné vyjádřit kritické hodnoty hnací síly mikrotrhliny. Výpočty se budou provádět s podporou metody konečných prvků a dostupných numerických knihoven v jazyce Python a C.

   Školitel: Profant Tomáš, doc. Ing., Ph.D.

3. Citlivostní analýza faktorů ovlivňujících sekundární chlazení kontinuálního lití

   Ochlazování horkých povrchů vodními nebo vodovzdušnými tryskami je proces, který je v technické praxi velice často používán (například při plynulém odlévání ocelí). Do matematických modelů sledovaných procesů je třeba používat realistické okrajové podmínky, jejichž získání je velmi často obtížné a závislé na mnoha parametrech. Objasnění a zobecnění vlivu nejdůležitějších parametrů ostřiku na intenzitu přenosu tepla by byla základní náplň doktorského studia.

   Školitel: Kotrbáček Petr, doc. Ing., Ph.D.

4. Detekce a izolace poruch pro nelineární systémy

   Aplikace stále výkonnějších mikroprocesorů při řízení mechatronických systémů umožňují implementovat výpočetně náročné doplňkové funkce. Jednou z velmi důležitých oblastí, která se stále rozvíjí, jsou algoritmy detekce, izolace a řešení chyb v systémech. Práce se bude zabývat vývojem nových algoritmů založených na lokálních lineárních modelech a metodách soft computing. Teoretické a simulační výsledky budou ověřovány na reálných soustavách dostupných v Mechatronické laboratoři (výukové modely, automobilové aktuátory apod.). Předpokládá se tedy simulační modelování v prostředí Matlab+ a experimentální práce s využitím moderního vybavení Real-Time Rapid Prototyping firmy dSPACE, které je současným de facto standardem v automobilovém průmyslu.

   Školitel: Grepl Robert, doc. Ing., Ph.D.

5. Dynamika vývoje parní vrstvy při chlazení horkých ocelových povrchů

   Práce se zabývá experimentálním studiem vývoje parní vrstvy při interakci proudů vody na pohybujícím se horkém povrchu. Problematika chlazení je v industriálních podmínkách složitá vzhledem k různým stádiím vývoje varu. Nejnižší intenzita chlazení je v oblasti blánového varu, kdy je voda odizolována od povrchu parní vrstvou, jež se snižuje s teplotou povrchu až dojde k jejímu proražení a přechodovému varu. Leidenfrostova teplota je závislá na dynamice proudění vody po povrchu. Pod dopadajícím laminárním proudem vody je Leidenfrostova teplota vyšší než mezi proudy. Dochází tak k lokálnímu přechlazení, což má za následek nežádoucí heterogenity v materiálových vlastnostech. V místech mezi laminárními proudy vody dochází k interakci vodních proudů ze sousedních trysek, a tak k ovlivnění mechanismu přenosu tepla. Publikace ohledně chlazení laminárními proudy se zabývají zejména chlazením na nepohybujícím se povrchu, což je vzdáleno od reálné aplikace. Laboratoř přenosu tepla a proudění je schopna charakterizovat vývoj parní vrstvy na chlazeném povrchu pomocí experimentálního výzkumu a simulací.

   Školitel: Hnízdil Milan, doc. Ing., Ph.D.

6. Iniciace a šíření trhlin z vrubů v oblasti gigacyklové únavy materiálů

   Moderní ultrazvukové zatěžovací stroje otevírají možnost studia procesů únavy materiálů běžně až v řádu miliard zátěžných cyklů, a to v relativně krátkém čase. Současně vliv koncentrátorů napětí je problémem, který nebyl dosud v rámci gigacyklové únavy materiálů dostatečně sledován. Proces vzniku a šíření trhliny z vrubů při vysokofrekvenčním zatěžování bude v rámci studia zkoumán. Pro studium bude využito experimentální ultrazvukové zařízení pro gigacyklovou únavu materiálů, nástroje elektronové mikroskopie a teoretické postupy konečné lomové mechaniky pro popis obecných koncentrátorů napětí.

   Školitel: Klusák Jan, doc. Ing., Ph.D.

7. Nová generace chladicí trysky: proměnná geometrie ústí

   Chladicí trysky se běžně používají v hutním a ocelářském průmyslu pro intenzivní chlazení vyráběného produktu nebo pro chlazení ostatních tepelně namáhaných částí výrobního celku. Intenzita chlazení je závislá zejména na množství dopadající kapaliny, její teplotě, velikosti kapek, rychlosti kapek a teplotě horkého povrchu. Běžně se v praxi setkáváme s tryskami jednofázovými, tj. když tryskou proudí pouze jedna pracovní látka např. voda. Takové trysky jsou však špatně regulovatelné, jinými slovy nabízí pouze úzký rozsah využitelných průtoků. Při vysokém průtoku jsou tlakové ztráty nepřijatelné. Při nízkém průtoku nedochází k úplné atomizaci a paprsek trysky se nežádoucně deformuje. Rozsah využitelných průtoků může být, a často také bývá, výrazně zvýšen při nasazení dvoufázových trysek. Jedna fáze je kapalná, obvykle voda, a druhá fáze plynná, vzduch. Vlivem značných rozdílů rychlostí obou fází dochází k lepší atomizaci. Cenou za to jsou však zvýšené náklady za stlačený plyn. Tato práce by měla hledat alternativy k tzv. vodovzdušným tryskám. Předpokládá se, že tryska bude pracovat pouze s jednou fází. Dále se předpokládá, že geometrie trysky bude proměnná. Bude vyroben prototyp trysky a odzkoušen na rozložení množství vody a impaktní tlak v dopadové stopě trysky.

   Školitel: Boháček Jan, doc. Ing., Ph.D.

8. Palivové trysky malých turbínových motorů

   Palivové soustavy malých turbínových motorů využívají různé způsoby přívodu paliva do spalovací komory, vyskytují se tak různé konstrukce palivových trysek, např. tlakové vířivé trysky (simplex/duplex), odpařovací trubice, rozstřikové kroužky nebo airblast trysky. Palivové trysky jsou velmi důležitou součástí celé soustavy, jejich správná funkce je nutností pro zajištění dostatečné účinnosti motoru a požadavky kladené na palivové trysky tak jsou velmi vysoké. Palivová soustava musí dodávat přesné a v daném okamžiku potřebné množství paliva do spalovací komory. Důležité je zajistit dobré rozprášení a odpaření paliva a jeho smíchání se vzduchem a to v celém rozsahu otáček (regulačním rozsahu motoru) a zejména při startu. Práce má za úkol provést klasifikaci používaných palivových trysek v turbínových motorech s maximálním tahem do 5000 N (nebo vzletovým výkonem do 600 kW) a dále se zaměřit na detailní popis odpařovacího systému a jeho používaných modifikací. Hlavním předmětem práce je vývoj a zkoušení stávající odpařovací trysky. Doktorand připraví zkušební stend pro provoz trysky, osadí jej potřebnými snímači a bude na něm zkoumat charakteristiky uvedených systémů v daném rozsahu provozních podmínek (např. mapování teplot, zjištění regulačního rozsahu), posoudit jejich vhodnost pro konkrétní účely a systém dále vyvíjet se zaměřením na jeho problematické aspekty. Součástí práce je: technická rešerše a analýza publikovaných technických řešení, jejich systematické porovnání, hodnocení výhod a nedostatků, rozsahu regulačních parametrů a energetických požadavků, popis konstrukčních řešení a jednotlivých částí, rozbor a fyzikální popis jejich funkce, návrh a příprava zkušebního stendu pro provoz trysky, analýza činnosti a orientační výpočet energetické (tepelné) bilance odpařovací trysky Téma má plné technicko-materiální zabezpečení, zejména laboratorní vybavení, techniku a materiál pro experimenty. Předpokládá se částečná finanční podpora studenta z projektu. Téma má návaznost na stávající nebo podaný projekt. Předpokládá se možnost několikaměsíční stáže v zahraničí, účast na technických seminářích a prezentací na konferencích. Práce bude řešena v rámci projektu a ve spolupráci s firmou PBS Velká Bíteš. Praktická část práce bude realizována ve zkušebnách PBS a v laboratořích VUT.

   Školitel: Jedelský Jan, prof. Ing., Ph.D.

9. Prediktivní údržba pro jednoúčelové výrobní stroje

   Prediktivní údržba umožňuje díky kombinaci zpracování velkého množství měřených dat s procesními modely strojů a zařízení získávat přesné údaje o opotřebení strojních součástí a potenciálně tak dosahovat významných ekonomických úspor. V současné době jde o intenzivně využívané, aplikované a zkoumané téma vědy a výzkumu.

   Školitel: Grepl Robert, doc. Ing., Ph.D.

10. Stochastická resonance jako zdroj elektrické energie

    Vibrace jako zdroj elektrické energie jsu ve světě zkoumány posledních 20 let. Omezení tohoto zdroje je stále v jeho nízké energetické výtěžnosti. Jednou z možností jak získat více energie je využití stochastické resonance. Cílem práce bude analýza tohoto jevu v energy harvesting, jeho praktické využití a návrh zařízení, které bude sloužit jako autonomní zdroj energie.

    Školitel: Hadaš Zdeněk, doc. Ing., Ph.D.

11. Více-úrovňové modelování funkčních MEMS/NEMS vykazující nelineární chování

    Aktuálním trendem v oblasti nanotechnologiich je návrh hybridních vrstevnatých MEMS/NEMS (Micro-/Nano Electro-Mechanický Systém) zařízení, které např. za účelem zvýšení výkonu senzoru nebo získání multifukčních měřících charakteristik kombinují několik tuhých a polymerních materiálových vrstev s piezoelektrickými, elektrostatickými nebo funkčními vlastnostmi. Vrstevnaté MEMS/NEMS zařízení jsou primárně spojeny se složitou fyzikou, která nebyla dosud systematicky studována, obzvláště v oblasti senzorů. Lze očekávat, že vícevrstvé struktury mohou vykazovat nejen globální ale i lokální (slabé nebo silné) nelinearity stejně tak různé formy tlumících mechanismů, vyvolané různými materiálovými vrstvami, rozhraními, mikrotrhlinami apod. Z tohoto důvodu je důležité kvůli i) dalšího návrhu MEMS/NEMS zařízení a ii) pochopení komplexního fyzikálního pozadí v nanoměřítku vyvinout metodiku pro posouzení nelinearit a identifikaci lineárních a nelineárních režimů a odhadu stupně nelinearity vrstevnatých mikro-/nanomechanických struktur s globálními a lokálními charakteristikami. Hlavním cílem práce je tedy vývoj metodiky pro nelineární kvalifikaci vrstevnatých struktur s globálními a lokálními nelinearitami za využití analytických/numerických výpočetních přístupů. Práce bude řešena rovněž v úzké spolupráci s Fyzikálním ústavem AVČR Praha a je v plánu rovněž studenta zaměstnat (s odpovídající úvazkem) na grantovém projektu zaměřeného na podobné téma, který byl přijat k řešení od letošního roku. Rovněž je během Ph.D. studia možnost zahraniční stáže na některé z Taiwanských universit.

    Školitel: Ševeček Oldřich, Ing., Ph.D.

12. Vliv mechanických vlastností stěny tepny na její deformačně-napěťovou odezvu

    Velmi aktuální biomechanické téma je součástí zahajovaného grantového projektu, zabývajícího se rizikem ruptury aterosklerotického plátu v krční tepně. Pro věrohodné výpočtové modelování napjatosti v krytu ateromu je třeba znát mechanické vlastnosti všech komponent, ze kterých se skládá aterosklerotická tepna. Téma bude zaměřeno na mechanické zkoušky vzorků ateromů jak z operací, tak z pitev, jejich vyhodnocování a identifikaci vhodných konstitutivních modelů.

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

13. Vliv velikosti těles při výpočtovém modelování tvárného lomu

    Téma se týká tvárného lomu houževnatých kovových materiálů a výzkumu vlivu velikosti těles. Téma navazuje na široký soubor experimentů provedených na standardních zkušebních tělesech ze slitiny hliníku. Předpokládá se návrh a realizace experimentů na miniaturním jednoosém zkušebním stroji, přičemž se nevylučuje návrh a stavba nového dvouosého stroje. Dále může být využit i nově pořízený materiál, jímž je slitina niklu používaná pro vysokoteplotní aplikace.

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

14. Výměník tepla z polymerních dutých vláken pro aplikace v chemickém průmyslu

    Výměník tepla z polymerních dutých vláken, který je velmi atraktivní alternativou stávajících kovových výměníků tepla, se skládá ze stovek či tisíců polymerních dutých vláken. Vzhledem k tomu, že vlákna mají malé vnější průměry (cca 1mm vnější průměr) s tloušťkou stěny kolem 0,1mm, je výsledný tepelný odpor působený materiálem výměníku nízký. To vede k efektivnímu polymernímu výměníku tepla. Tento výměník tepla přináší takové výhody jako je nízká hmotnost, snadná tvarovatelnost a obrobitelnost. Další obrovskou výhodou těchto výměníků je jejich korozivzdornost a chemická odolnost. Použití polymeru pro konstrukci aktivních teplosměnných ploch umožňuje aplikaci v oblastech, kde není možné použít standardní kovové tepelné výměníky. Při výrobě různých chemikálií dochází k termickým reakcím, proto je nezbytně nutné při řízení těchto reakcí teplo dodávat či odebírat. Z povahy některých chemických produktů není možné použít kovové výměníky a je nezbytně nutné použít polymerní výměníky, aby se zabránilo chemické reakci mezi kovem a produktem. Tyto výměníky jsou však konstruovány z trubek větších průměrů a tedy i silnějších stěn teplosměnných ploch. Cílem dizertační práce je zmapovat oblasti aktuálního použití polymerních výměníků v chemickém průmyslu, ověřit vlastnosti stávajících komerčně dostupných produktů a navrhnout konkurenceschopnou alternativu v podobě výměníku tepla z polymerních dutých vláken pro tyto aplikace. K dosažení tohoto cíle je třeba vyvinout a ověřit jeho optimální konstrukci.

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

15. Výpočtová analýza hybridních struktur založených na slitinách s tvarovou pamětí s měnitelnými mechanickými a fyzikálními vlastnostmi

    Materiály/slitiny s tvarovou pamětí (SMA – Shape Memory Alloys) vykazují unikátní funkční vlastnosti jako např. tvarový paměťový efekt či superelasticitu. Tyto dva efekty jsou svázány s reverzibilní bezdifuzní martenzitickou transformací těchto slitin. Vysoká hustota energie dělá slitiny s tvarovou pamětí vysoce atraktivní pro nanotechnologické aplikace. Jelikož je většina SMA aktuátorů nastavena na periodický pohyb teplem indukovanou fázovou transformací, mohou tyto aktuátory dosahovat relativně malých aktuačních rychlostí v řádek jednotek kHz, což je způsobeno potřebou chlazení SMA komponent. Dosud byly navrhovány SMA nanomechanické rezonátory vyrobené formou elastického substrátu a SMA vrstvy ve formě tenkého filmu. Tyto hybridní rezonátory jsou schopny pracovat ve vysokých frekvencích (až v desítkách MHz), a tyto frekvence mohou být významně zvýšeny nebo sníženy. Ladění frekvencí se realizuje pomocí cíleně změněného Youngova modulu a mezivrstevnatých napětí SMA materiálů v průběhu martenzitické transformace, zatímco elastický substrát zaručuje vysokou frekvenci aktuace. SMA rezonátory je potom možné využít v aplikacích, které není možné pokrýt konvenčními materiály založenými na nanotechnologiích. Pro velké hodnoty generovaných mezivrstvových napětí, může SMA rezonátor snadno vykazovat buď nelineární odezvu nebo buckling chování. Například buckling mechanické struktury vede na dva různé bi-stabilní stavy, které mohou být využitelné v množství senzorických aplikací. Síť slabě nelineárních rezonátorů umožní dosáhnout komplexní odezvy a studovat interakce mezi jednotlivými rezonátory. Lze očekávat, že podobné odezvy může být dosaženo rezonátory sestávajících se z několika nezávisle ovládaných SMA prvků. Kombinace nelineární a lineární odezvy jednotlivých SMA prvků do komplexního systému může otevřít cestu pro další stadium aktuátorů, dynamických systému včetně těch chaotických a rovněž návrhu nových, v přírodě neexistujících materiálů (tzv. metamateriálů). Hlavním cílem práce je vyvinout modely schopné predikovat chování hybridních struktur využívající několik SMA prvků. Předpokládá se, že každý takový element může vykazovat slabou/silnou nelinearitu. Modely budou primárně vyvíjeny s využitím numerických simulací a následně by byly provedeny experimentální verifikace modelů na Ústavu fyziky, AVČR Praha. Práce je plánována jako součást GAČR-MOST bilaterálního projektu realizovaného ve spolupráci s Oddělením funkčních materiálů (OFM), Fyzikálního ústavu, AVČR Praha. Studentovi může být nabídnuta částečný úvazek na OFM (s účastí na bilaterálním projektu) stejně tak možnost zahraniční stáže na Taiwanské univerzitě.

    Školitel: Kotoul Michal, prof. RNDr., DrSc.

16. Vývoj a experimentální ověření modelu deformace plechů při kontinuálním tepelném zpracování oceli

    Dnešním trendem je vyrábět vysokojakostní oceli, aniž by bylo potřeba použít velké procento drahých příměsí jako jsou nikl, chrom, titan, měď, hliník atd. Toho se dosahuje vhodným tepelným zpracováním při kontinuální výrobě oceli. Při tepelném zpracování dochází k výrazné ale nežádoucí deformaci oceli, ve které během tohoto procesu probíhají fázové změny – změny metalografické mřížky. Ocel se tak během tepelného zpracování deformuje a výsledný produkt často nedosahuje požadované geometrie – nejčastěji rovinnosti. Špatná rovinnost způsobuje mimo jiné i velké problémy při následném zpracování jako je např. následná povrchová úprava, či způsobuje problémy při průchodu dopravníkovým systémem. Cílem práce je vytvoření komplexního modelu, který bude detailně popisovat děje, které nastávají při kontinuálním tepelném zpracování ocelových plechů. Tento model tak umožní lépe porozumět dějům, které zde nastávají a pomůže optimalizovat chlazení tak, aby bylo dosaženo co nejlepší rovinnosti výsledných plechů. Během práce se očekává měření a simulace součinitele přestupu tepla při chlazení horkých plechů, měření impaktních sil od chladicích trysek, studium proudění chladícího média na zakřiveném povrchu a jeho vliv na změnu chlazení.

    Školitel: Pohanka Michal, doc. Ing., Ph.D.

17. Vývoj a experimentální ověření teorie hydraulického odstraňování okují

    Při výrobě a zpracování oceli za tepla, kdy je povrch vystaven oxidační atmosféře, se na povrchu tvoří zoxidované vrstvy oceli nazývané okuje. Tyto okuje se nejčastěji odstraňují pomocí vysokotlakých trysek s plochým vodním paprskem. Při tomto procesu se sleduje jak výsledná jakost povrchu (množství neodstraněných okují), tak množství tepla odvedeného z oceli. Kvalita povrchu vyrobeného ocelového polotovaru závisí nejen na konfiguraci hydraulického ostřiku, ale také na jakosti oceli (chemickém složení), tepelném zpracování a povlakování. Během ostřiku dochází k prudkému poklesu teploty a tím i výrazné změně materiálových vlastností okují. Ty navíc obvykle netvoří homogenní vrstvu. Většinou se jedná o vrstvu složenou z několika typů okují: wüstit, magnetit a hematit; přičemž jejich podíl je závislý mimo jiné na oxidační teplotě. Vrstva okují je obvykle porézní, což umožňuje vodě vnikat do trhlin, kde může vlivem velmi vysoké teploty (nad 1000°C) vést k parní explozi. Při hydraulickém odkujování tak dochází k velmi komplikovanému namáhání, který se skládá zejména z mechanického účinku od vodního paprsku, teplotní kontrakce povrchových vrstev, smykovému napětí na rozhraní okuje/ocel, ohýbání okují vlivem teplotního gradientu v okujích a parní explozi v trhlinách. Cílem práce je vytvoření teorie a verifikačního modelu hydraulického odstraňování okují a popsání principů při tomto kombinovaném teplotně-mechanickém namáhání. Výpočtový model, který bude vytvořen na základě teorie, bude sloužit k ověření vytvořené teorie na základě srovnání se skutečným procesem odkujování, který bude prováděn v laboratoři. Vytvořený model by měl mimo jiné posloužit k optimalizaci hydraulického odstraňování okují pro těžko odkujitelné materiály (např. oceli se zvýšeným obsahem křemíku pro automobilový průmysl).

    Školitel: Pohanka Michal, doc. Ing., Ph.D.

18. Vývoj auxetické struktury s integrovanými piezoelektrickými prvky

    Metamateriály jsou v současnosti vyvíjeny především pro letecký průmysl jako autonomně se monitorující nosné struktury, které mají široký potenciál pro budoucí aplikace. Zajímavým řešením takového metamateriálu je patentovaná auxetická struktura s piezoelektrickými prvky. Hlavní cíl této disertační práce je vývoj této struktury jako chytré strojírenské součástí, která má potenciál monitorovat sama sebe a poskytnout informace pro aplikace průmyslu 4.0.

    Školitel: Hadaš Zdeněk, doc. Ing., Ph.D.

19. Vývoj kinematického modelu zpevnění s časovou a teplotní závislostí

    Části strojů spalovacích sekcí často pracují při opakované plastické deformaci za zvýšených teplot. To s sebou nese rizika porušení, která však mohou být předcházena pomocí numerických simulací. Práce se zaměří na vývoj a validaci modelů cyklické plasticity s kinematickým zpevněním, přičemž bude zohledněna časová a teplotní závislost. Zvážena bude i možnost víceúrovňového modelování se zahrnutím strukturního vlivu skluzu dislokací na cyklickou plasticitu.

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

20. Vývoj metod in-line tepelného zpracování ocelových polotovarů

    Cílem je rozvoj metod kontinuálního tepelného zpracování válcovaných materiálů pro dosažení nové struktury a nových mechanických vlastností ocelí. Téma kombinuje experimentální výzkum v oblasti chlazení horkých pohybujících se povrchů s výzkumem materiálových vlastností takto zpracovaných ocelí. Důraz bude kladen na objasnění vlivu dynamiky tepelného zpracování na strukturu materiálů.

    Školitel: Kotrbáček Petr, doc. Ing., Ph.D.

21. Vývoj nových matematických modelů pro předehřívací pece

    Ohřev hutních polotovarů v předehřívací pecích je energeticky velmi náročný proces. Tento proces lze pomocí matematických modelů vytvořených na základě provozních měření optimalizovat. Doktorand se bude podílet na provozních měření a tvorbě matematického modelu sloužícího k optimalizaci ohřevu polotovarů.

    Školitel: Kotrbáček Petr, doc. Ing., Ph.D.

22. Vývoj nových ostřikových sekcí pro hydraulické odstraňování okují

    Ostřik horkého povrchu vysokotlakým vodním paprskem je technologicky velmi často využívaný proces, jehož cílem je odstranění nežádoucích vrstev okují na povrchu ocelí. Tento proces je energeticky velmi náročný a optimalizací lze dosáhnout maximálního účinku při minimální možné spotřebě energie. Vlastnosti hydraulických ostřiků okují jsou ovlivněny celou řadou parametrů. Úkolem doktoranda bude na základě numerického modelu a experimentálního výzkumu objasnit mechanismus odstraňování vrstvy okují z povrchu a optimalizovat parametry ostřiku s ohledem na kvalitu povrchu a energetickou náročnost procesu.

    Školitel: Kotrbáček Petr, doc. Ing., Ph.D.

23. Vývoj víceúrovňového modelování cyklické plasticity s využitím umělé inteligence

    Víceúrovňové modelování získává spolu s umělou inteligencí na značném významu. Své uplatnění může nacházet i v simulacích cyklické plasticity kovů při různých rychlostech zatěžování a teplotách. Práce se zaměří na kinematické zpevnění a jeho kalibraci pomocí mikro a makro experimentů s využitím strojového nebo hlubokého učení. V rámci řešení bude dále prohlubována spolupráce s profesorem Tasnimem Hassanem, se kterým bude pravděpodobně podán i společný projekt. Student se tedy může případně zúčastnit stáže na North Carolina State University.

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

24. Výzkum vysokorychlostních hydrodynamických axiálních ložisek pro nízko-viskózní média

    Axiální hydrodynamická ložiska jsou nejkritičtějším uzlem vysokorychlostních aplikací a limitujícím faktorem výkonu, odolnosti a životnosti rotačních strojů. Navrhovaná práce bude řešit výzkum únosnosti a dalších parametrů axiálních ložisek pro nízko-viskózní média. Práce se bude zabývat výzkumem různých typů ložisek pro aplikace s pracovními médii o nízké viskozitě, jejich výpočetním modelováním a experimentální validací za účelem zlepšení jejich parametrů.

    Školitel: Návrat Tomáš, doc. Ing., Ph.D.

25. Zdokonalování FE modelů mechanického chování živých buněk

    Toto aktuální téma se věnuje výpočtovému modelování mechanického chování živých buněk, a to jak in vitro, tak in vivo, za fyziologických i patologických podmínek. Nedávno vyvinutý výpočtový model zahrnuje vnitřní strukturu buňky (jádro, cytoplazmu, membránu i cytoskelet modelovaný na bendotensegritním principu) a měl by být rozšářen o mitochondriální síť. Tento rozšířený model bude využíván pro simulaci vlivu změn v uspořádání mitochondriální sítě při různých patologických stavech na mechanickou odezvu buňky.

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