Detail předmětu
Simulace a optimalizace (FEM, CFD, MBS)
FSI-ZAW Ak. rok: 2027/2028 Letní semestr
Předmět navazuje na znalosti získané v předmětu "Mechanika, životnost a spolehlivost" a rozvíjí přechod od fyzikálního modelu mechanického systému k numerickému výpočtovému modelu. V kontextu digitálního inženýrství, digitálního modelu výrobku a digitálního vlákna zdůrazňuje principy Simulation-Driven Design, integraci simulací do konstrukčního procesu a jejich využití pro podporu inženýrského rozhodování.
Pozornost je věnována tvorbě a posuzování validity lineárních a nelineárních modelů strukturální mechaniky, vlivu zatěžovací cesty, principu superpozice u lineárních úloh, parametrizaci, citlivostním analýzám a optimalizaci včetně topologické optimalizace. Součástí jsou transientní strukturální analýzy, CFD a sdružené multifyzikální úlohy, zejména CHT (conjugate heat transfer) a základní FSI (fluid-structure interaction). Důraz je kladen na verifikaci a validaci numerických modelů, volbu odpovídající úrovně podrobnosti modelu a hodnocení nejistot výsledků simulací.
Předmět dále rozvíjí deterministické a pravděpodobnostní přístupy k hodnocení spolehlivosti strojních součástí a konstrukčních detailů se zaměřením na mezní stavy, únavovou životnost, stabilitu a základy lomové mechaniky. Získané znalosti jsou aplikovány při řešení praktických inženýrských úloh.
Jazyk výuky
čeština
Počet kreditů
4
Garant předmětu
Zajišťuje ústav
Výsledky učení předmětu
Po absolvování předmětu bude student schopen:
Vytvářet výpočtové modely na základě fyzikálního modelu, volit odpovídající úroveň idealizace a fidelity vzhledem k účelu simulace.
Posuzovat použitelnost lineárních a nelineárních modelů, identifikovat významné nelinearity, vliv zatěžovací cesty a omezení principu superpozice.
Provádět a interpretovat statické i transientní strukturální, CFD a sdružené multifyzikální analýzy včetně CHT a jednoduchých FSI.
Verifikovat a validovat numerické modely, hodnotit citlivost řešení, numerické chyby, modelové nejistoty a věrohodnost výsledků simulací.
Využívat parametrizaci, citlivostní analýzu a optimalizační metody, včetně topologické optimalizace, při návrhu strojních součástí.
Hodnotit spolehlivost a mezní stavy konstrukčních detailů s využitím metod únavové analýzy, stability, základů lomové mechaniky a pravděpodobnostního přístupu.
Integrovat numerické simulace do digitálního konstrukčního procesu v souladu s principy Simulation-Driven Design a využívat výsledky pro kvalifikované inženýrské rozhodování.
Vstupní znalosti
– znalosti z oblasti mechaniky, dynamiky, pružnosti a pevnosti, CAD modelování a materiálových věd na úrovni bakalářského studia strojního inženýrství.
Způsob zakončení předmětu a pravidla hodnocení studentů
Podmínky udělení zápočtu:
- aktivní účast na přednáškách (max. 10 bodů),
- vyřešení zadaných úloh a prezentace dosažených výsledků (max. 30 bodů),
- minimálně je nutné získat 20 bodů.
Podmínky získání zkoušky:
- praktická část: metodicky správné vyřešení zadané úlohy (max. 40 bodů),
- ústní zkouška (max. 20 bodů).
- celkem je možno získat až 100 bodů, výsledná klasifikace se určí podle stupnice ECTS.
Přednášky: účast je doporučená.
Cvičení: účast je povinná a kontrolovaná vyučujícím, povolují se max. dvě absence. V případě dlouhodobé nepřítomnosti je náhrada zameškané výuky v kompetenci garanta předmětu.
Učební cíle
Absolventi budou schopni vytvářet multifyzikální výpočtové modely, provádět metodologicky správně simulace a komplexní vyhodnocení stavu napjatosti složitých dílů a sestav se zohledněním různých nelinearit.
- Schopnost provádět jednoduché multifyzikální simulace stavu napjatosti tvarově složitých součástek a sestav v oblasti strojního inženýrství.
- Schopnost komplexně připravit tvarově složité geometrie, využít pokročilé metody tvorby sítě, zadat komplexní okrajové podmínky a materiálové vlastnosti, parametrizace modelu.
- Prohloubení zkušenosti s použitím sw ANSYS Workbench a ANSYS Discovery, prohloubení dovedností při interpretaci výsledků simulací.
- Prohloubení dovedností a návyků potřebných pro práci s moderním MKP systémem ať už ve formě samostatného softwaru nebo integrovaného modulu v CAD systému.
- Pochopení významu pokročilých strukturálních analýz v inženýrské praxi.
Použití předmětu ve studijních plánech
Program N-KSI-P: Konstrukční inženýrství, magisterský navazující, povinný
Typ (způsob) výuky
Přednáška
16 hod., nepovinná
Osnova
- Úvod do MKP a výpočtového modelování v digitálním inženýrství, přechod od fyzikálního k výpočtovému modelu. Základní principy MKP, typy analýz, geometrická idealizace, diskretizace, typy elementů, síť, okrajové podmínky a interpretace výsledků.
- Lineární a nelineární statická strukturální analýza. Lineární elasticita, napjatost a deformace, symetrie, superpozice a její omezení, materiálová, geometrická a kontaktní nelinearita, zatěžovací cesta, inkrementální řešení, kvalita sítě a konvergence. Verifikace a validace modelů.
- Stabilita konstrukcí a nelineární odezva. Lineární stabilitní analýza, vlastní čísla a kritická zatížení, geometricky nelineární stabilitní analýza, počáteční imperfekce, postkritické chování, ztráta stability, vliv materiálových nelinearit a okrajových podmínek.
- Dynamické strukturální analýzy. Modální analýza, vlastní frekvence a tvary kmitání, tlumení, harmonické buzení, rezonance, transientní lineární a nelineární analýzy, implicitní a explicitní časová integrace, nárazové děje, základy dynamiky vícetělesových systémů (MBS).
- CFD a sdružené multifyzikální analýzy. Základy CFD, proudění tekutin, okrajové podmínky a diskretizace, přenos tepla a konjugovaný přestup tepla (CHT), základy interakce tekutiny a konstrukce (FSI), jednosměrná a obousměrná vazba. Validita modelů a interpretace výsledků.
- Parametrizace, citlivostní analýza a optimalizace. Parametrické modelování, návrhové proměnné, cílové funkce a omezení, citlivostní analýza, optimalizační algoritmy, odezvové plochy, topologická optimalizace a její omezení. Využití v Simulation-Driven Design.
- Spolehlivost a životnost strojních součástí. Mezní stavy, bezpečnost a spolehlivost, únavová životnost, vliv středního napětí, koncentrace napětí a cyklického zatížení. Základy lomové mechaniky, iniciace a šíření trhlin. Deterministický a pravděpodobnostní přístup k hodnocení spolehlivosti.
- Verifikace, validace a integrace simulací do konstrukčního procesu. Verifikace výpočtového modelu, konvergence sítě, numerické chyby, validace experimentem, nejistoty a citlivost výsledků, volba úrovně podrobnosti modelu. Integrace simulací, optimalizace a hodnocení spolehlivosti do digitálního vývojového procesu.
Cvičení s počítačovou podporou
32 hod., povinná
Osnova
- Převod fyzikálního modelu na výpočtový model. Příprava geometrie, idealizace, volba typů elementů, tvorba a kvalita sítě, definice materiálů, zatížení a okrajových podmínek. Statická analýza jednoduché strojní součásti, vyhodnocení napětí a deformací, kontrola rovnováhy a konvergence sítě.
- Porovnání lineárního a nelineárního modelu konstrukčního detailu nebo sestavy. Využití symetrie a superpozice, materiálová a geometrická nelinearita, kontaktní úlohy. Vliv zatěžovací cesty a okrajových podmínek na výsledky, interpretace lokálních koncentrací napětí a posouzení validity modelu.
- Výpočet kritického zatížení štíhlé součásti pomocí lineární stabilitní analýzy. Navazující geometricky nelineární analýza s počáteční imperfekcí, porovnání kritického zatížení, deformací a postkritické odezvy. Posouzení vlivu geometrie, materiálu a okrajových podmínek.
- Modální analýza součásti nebo sestavy, vlastní frekvence a tvary kmitání. Harmonická odezva, vliv tlumení a rezonance. Transientní analýza časově proměnného zatížení, porovnání implicitního a explicitního řešení na jednoduché nárazové úloze. Ukázka modelování pohybu vícetělesového systému (MBS).
- CFD simulace proudění v jednoduchém technickém systému, nastavení sítě a okrajových podmínek, vyhodnocení rychlosti, tlaku a tlakových ztrát. Sdružená tepelná analýza CHT, přestup tepla mezi tekutinou a pevnou látkou. Ukázka jednosměrné FSI, přenos tlakového zatížení z CFD do strukturální analýzy.
- Parametrizace geometrie, materiálových a zatěžovacích parametrů. Citlivostní analýza, formulace cílové funkce a návrhových omezení. Optimalizace rozměrů konstrukční součásti, topologická optimalizace s cílem snížení hmotnosti při zachování požadované tuhosti. Interpretace výsledků a konstrukční realizovatelnost návrhu.
- Únavová analýza typického konstrukčního detailu na základě výsledků MKP, identifikace kritických míst, vliv koncentrace napětí, středního napětí a charakteru cyklického zatížení. Základní analýza součásti s trhlinou, vyhodnocení součinitele intenzity napětí. Pravděpodobnostní posouzení vlivu variability materiálových a zatěžovacích parametrů na spolehlivost.
- Komplexní analýza vybrané strojní součásti nebo sestavy. Porovnání analytického a numerického řešení, studie konvergence sítě, posouzení modelových nejistot a validace pomocí experimentálních dat. Vyhodnocení návrhových variant, optimalizace a hodnocení mezních stavů. Dokumentace výsledků simulací v kontextu digitálního modelu výrobku a digitálního vlákna.