diplomová práce

Topologická optimalizace s využitím mikro-prutových struktur

Text práce 8.77 MB Příloha 68.8 kB

Autor práce: Ing. Martin Černák

Ak. rok: 2021/2022

Vedoucí: Ing. Ondřej Vaverka, Ph.D.

Oponent: doc. Ing. Pavel Maňas, Ph.D.

Abstrakt:

Cieľom práce bolo navrhnúť a overiť metodiku topologickej optimalizácie s využitím mikro-prútových štruktúr, ktorá zohľadňuje špecifikácie aditívnej výroby a je nezávislá na optimalizačnom riešiči.
Vytvorená metodika využíva SIMP algoritmus topologickej optimalizácie. Penalizačný faktor použitý pre riešenie je vytvorený na základe mechanických vlastností charakterizujúcich ľubovoľne zvolenú bunku. Vlastnosti sú získané metódou homogenizácie aplikovanou na reálnu geometriu špecifikovanú 3D optickou digitalizáciou. Verifikácia návrhu prebieha pomocou MKP analýzy využívajúcej variabilné homogenizované vlastnosti. Lokálna napätosť je simulovaná technikou submodelingu.
Metodika bola overená optimalizáciou konzoly brzdného štítu lietadla. Optimalizovaný diel je oproti pôvodnému riešeniu o 22 % ľahší a o 31 % tuhší.
Výsledky práce demonštrujú, že navrhnutá metodika je vhodná pre optimalizáciu štrukturálnych dielov a umožňuje nám relatívne jednoducho využiť mikro-prútové štruktúry spolu s topologickou optimalizáciou a aditívnou výrobou, a to nie len v leteckom priemysle.

Klíčová slova:

Topologická optimalizácia, Mikro-prútové štruktúry, Aditívna výroba

Termín obhajoby

16.06.2022

Výsledek obhajoby

obhájeno (práce byla úspěšně obhájena)

znamkaAznamka

Klasifikace

A

Průběh obhajoby

Obhajoba práce: Student prezentoval svoji práci a odpověděl na otázky oponenta: 1) V kapitole 5.1.2 jste jako vhodný penalizační faktor určil podle kapitoly 4.3.1 hodnotu 2,68. V kapitole 6.1.1. pro detailní návrh používáte penalizační faktor 2,28. V čem přesně spočívá rozdíl? - odpovězeno 2) Pro hodnocení stavu napjatosti používáte srovnávací napětí vonMieses. Vysvětlete, zda by nebylo vhodnější použít 1. a 3. hlavní napětí - max. principal stress a min. principal stress. - odpovězeno 3) Kde vidíte další možnosti pro vývoj optimalizačních metod založených na využití mikroprutových struktur? - odpovězeno Doc. Vimmr: Dokážete odhadnout, jak dlouho trval Váš optimalizační výpočet, kde je potenciál ke zrychlení? – odpovězeno Doc. Koutný: Jakým způsobem jste volil velikost buňky, nebyla by nějaká jiná velikost výhodnější? – odpovězeno – odpovězeno Doc. Polach: Jsou výrobní nepřesnosti zahrnuté ve výsledné struktuře? – odpovězeno Ing. Dočekalová: Nárůst hmotnosti a tuhosti se bude nějak ověřovat? – odpovězeno Prof. Hartl: Brzdící štít je pod křídlem či za kabinou? Jaká je cena původního a nového dílu? – odpovězeno Doc. Horák: Komentář – aplikace u letadla není úplně nejlepší a je velká škoda, že nebyla součást reálně testována. – odpověď.

Jazyk práce

slovenština

Fakulta

Ústav

Studijní program

Konstrukční inženýrství (N-KSI-P)

Složení komise

prof. Ing. Martin Hartl, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Ivan Mazůrek, CSc. (místopředseda)
doc. Ing. Pavel Maňas, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Daniel Koutný, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Zdeněk Horák, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jan Vimmr, Ph.D. (člen)
Ing. Kateřina Dočekalová, Ph.D. (člen)
doc. Dr. Ing. Pavel Polach (člen)

Posudek vedoucího
Ing. Ondřej Vaverka, Ph.D.

Autor diplomové práce navazuje na svou bakalářskou práci, v které se zabýval topologickou optimalizací s využitím mikro-prutových struktur a objevil při ní několik omezení a problémů, které jsou spojeny s komerčně dostupnými řešeními. Většinu těchto omezení se rozhodl vyřešit v rámci své diplomové práce a utvořit tak pracovní postup, který by umožňoval efektivní a relativně přímočarou tvorbu optimalizovaných geometrií. Jako demonstrační úloha byla vybrána konzola z leteckého průmyslu, která je de facto staticky namáhána a při jejím provozu se neuvažuje únava.
Práce začíná důkladnou rešerší, která se stala podkladem pro vyřešení několika kritických míst. Student prokázal velmi dobrou orientaci v tématu a byl schopný řešit problémy i na úrovni matematických formulací optimalizačních problémů. Během jeho práce se mu podařilo vyřešit (i) problém se vstupními daty, která odvodil z experimentálních měření, (ii) problém s hardwarově náročnou prací se strukturovaným materiálem, kdy použil software nTopology s implicitní reprezentací geometrie, (iii) komplikace s přenosem dat mezi jednotlivými softwary, kdy data upravoval pomocí speciálních skriptů v prostředí Python, a na závěr (iv) velký problém s pevnostní kontrolou výsledné geometrie, pro kterou použil globální homogenizační přístup s detailní analýzou kritických míst pomocí submodelingu.
Všechna výše zmíněná řešení navrhl student sám a při celé práci byl velice samostatný. Demonstrační díl se podařilo úspěšně vyrobit a bude nad rámec diplomové práce fyzicky otestován a porovnán s analýzami pomocí metody konečných prvků. Objem odvedené práce je nadprůměrný, výsledky mají velkou přidanou hodnotu a počítá se s jejich publikací v impaktovaném časopise. Všech cílů bylo dosaženo a doporučuji práci k obhajobě s hodnocením A.
Kritérium hodnocení Známka
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Známka navržená vedoucím: A

Předloženou diplomovou práci jsem si se zájmem přečetl a konstatuji, že cíle práce stanovené v zadání student beze zbytku splnil. Ve vlastní práci student píše i o vytvoření metodiky pro optimalizaci mikroprutových struktur, zde konstatuji, že v práci je popsána, ale nemá charakter ucelené části textu nebo kapitoly, což je trochu škoda, významně by to zvýšilo praktický přínos práce a originální přínos studenta. Práce je přehledná a logicky uspořádaná. V závěrečné části postrádám jednoduché grafické schéma, vystihující podstatu vytvořené metodiky optimalizace mikroprutových struktur, předpokládám, že bude uvedeno při obhajobě.
Kritérium hodnocení Známka
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Otázky k obhajobě:
  1. V kapitole 5.1.2 jste jako vhodný penalizační faktor určil podle kapitoly 4.3.1 hodnotu 2,68. V kapitole 6.1.1. pro detailní návrh používáte penalizační faktor 2,28. V čem přesně spočívá rozdíl?
  2. Pro hodnocení stavu napjatosti používáte srovnávací napětí vonMieses. Vysvětlete, zda by nebylo vhodnější použít 1. a 3. hlavní napětí - max. principal stress a min. principal stress.
  3. Kde vidíte další možnosti pro vývoj optimalizačních metod založených na využití mikroprutových struktur?

Známka navržená oponentem: A

Odpovědnost: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová