VZ MSM4674788501

Transkript

VZ MSM4674788501

Optimalizace
vlastností strojů v interakci
s pracovními procesy a člověkem
Výzkumný záměr | MSM 4674788501
2005 - 2011
2005 - 2011
Optimalizace
Technická univerzita v Liberci
Studentská 2, 461 17 Liberec, www.tul.cz
kontaktní osoba: doc. Ing. František Novotný, CSc.
tel.: +420 485 354 103, mob.: +420 604 969 548, [email protected], www.fs.tul.cz/vz
NOV publikace 2011 obalka.indd 1
1/6/12 9:42 AM
Optimalizace vlastností strojů v interakci s pracovními procesy a člověkem
1.
Konstrukční
a procesní
optimalizace
Nové materiály
a pokročilé
technologie
Vibroizolační
prvky a systémy
Optimalizace
termodynamických
procesů v subsystémech
energetických strojů
2.
3.
4.
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI
www.tul.cz
Výzkumný záměr propojil výzkumné týmy
a přinesl nové kompetence
Členové komise MŠMT při průběžném hodnocení výzkumného záměru na TU v Liberci
4. 10. 2007 (zleva prof. Matoušek, předseda komise prof. Ondráček, Dr. Dobiáš a Ing. Kavan).
Laboratorní ověřování robota lezce bylo úspěšné a napínavé.
Diskuse odborníků různých generací nad výsledky výzkumného záměru byla vždy
kořením vědecké práce.
Spolupráce členů řešitelských týmů byla v celém průběhu řešení velmi cenným
výstupem výzkumného záměru.
Vydala Technická univerzita v Liberci, Studentská 1402/2, Liberec | prosinec 2011.
Autorský tým:
doc. Ing. Martin Bílek, Ph.D., Ing. Josef Blažek, Ph.D., Ing. Jiří Blekta, Ph.D., Ing. Pavel Brabec, Ph.D., Ing. David Cirkl, Ph.D., doc. Ing. Václav Dvořák, Ph.D., doc. Ing. Vítězslav Fliegel,
CSc., doc. Ing. Karel Fraňa, Ph.D., doc. Ing. Dalibor Frydrych, Ph. D., Ing. Marcel Horák, Ph.D., Ing. Kateřina Horáková, Ing. Vlastimil Hotař, Ph.D., doc. Ing. Bedřich Janeček, CSc.,
doc. Ing. Jan Jersák, CSc., Ing. Stanislav Jirouš, Ing. Jan Kolaja, Ph.D., prof. Dr. Ing. Petr Lenfeld, Ing. Aleš Lufinka, Ph.D., Ing. Jiří Machuta, Ph.D., doc. Ing. Miroslav Malý, CSc.,
Ing. Rudolf Martonka, Ph.D., prof. Ing. Bohdana Marvalová, CSc., Ing. Radek Matějec, Ph.D., Ing. Ivo Matoušek, Ph.D., doc. Ing. Josef Mevald, CSc., Ing. Jaromír Moravec, Ph.D.,
Ing. Miloš Müller, Ph.D., doc. Ing. Heinz Neumann, CSc., prof. Ing. Iva Nová, CSc., doc. Ing. František Novotný, CSc., doc. Ing. Iva Petríková, Ph.D., Ing. Michal Petrů, Ing. Jan Petřík,
Ph.D., prof. Ing. Přemysl Pokorný, CSc., doc. Ing. Ludvík Prášil, CSc., prof. Ing. Celestyn Scholz, Ph.D., Ing. Michal Sivčák, Ph.D., Ing. Pavel Solfronk, Ph.D., prof. RNDr. Jan Šklíba, CSc.,
prof. Ing. Petr Špatenka, CSc., doc. Ing. Jiří Unger, CSc., prof. Ing. Karel Vokurka, CSc., Ing. Radek Votrubec, Ph.D., Ing. Robert Voženílek, Ph.D., prof. Ing. Jan Žižka, CSc.
Grafické zpracování: Jana Vašáková Havlíková | jazyková korektura: Mgr. Miroslav Wallek | tisk: Geoprint, Krajinská 1110, Liberec.
Obsah
Výzkumný záměr propojil výzkumné týmy a přinesl nové kompetence
1/6/12 9:42 AM
www.tul.cz
Úvodní slovo
doc. Ing. František Novotný, CSc.
Výzkumný záměr „Optimalizace vlastností strojů
v interakci s pracovními procesy a člověkem“ je
zaměřen na 4 základní výzkumné směry. V jedné
části se zabývá procesní a konstrukční optimalizací speciálních strojů a zařízení, v druhé části
je zaměřen na materiálový výzkum a pokročilé
technologie, třetí část je orientována do specifické
oblasti hlukových a vibračních signálů a zejména
do oblasti vibroizolace, v poslední čtvrté části jsou
podrobovány výzkumu vybrané termodynamické
děje a jejich aplikace. Vykonavatelem výzkumného záměru je Fakulta strojní a v průběhu řešení
svým záběrem využívá poměrně široké spolupráce s dalšími fakultami TU v Liberci.
Výzkumná činnost realizovaná ve výzkumném záměru je
zaměřena na zvyšování užitných vlastností vybraných typů
strojů a zařízení, zejména takových, které mají na Fakultě strojní v programech základního i aplikovaného výzkumu tradičně
silnou pozici. Výzkum současně sleduje perspektivní témata
souvisejících pracovních procesů, nové konstrukční materiály
a pokročilé technologie. Cíleně navazuje na úspěšné výsledky
předchozích výzkumných záměrů, na mezinárodně uznávané
aktivity ve vědecko-výzkumné činnosti a reaguje na světové
trendy ve vědě, výzkumu a průmyslu.
Předmět výzkumného záměru spočívá v optimalizaci vlastností strojů a zařízení v interakci s novými pracovními procesy
s akcentem na jejich výkonové parametry a na vysokou jakost
výrobků při snižování energetické náročnosti a škodlivých emisí. Cílem výzkumného záměru je komplexní řešení specifických
problémů z oblasti strojírenské techniky zaměřené na optimalizaci vlastností strojů a zařízení v interakci s inovativními pracovními procesy. Konstrukční a procesní optimalizací byla a jsou
průběžně navrhována nová řešení konstrukčních uzlů strojů
a zařízení pro extrémní dynamická zatížení a optimalizován tvar
a funkce pracovních orgánů a nástrojů pro minimální energetickou náročnost a jakost produkce. Důraz je kladen na minimalizaci vzniku vibrací a hluku optimalizací vibroizolačních
prvků, na aktivní řízení vibroizolačních systémů, na sledování
jejich účinku na člověka a kvalitu pracovního prostředí,
zvyšování životnosti i výkonnosti strojů. Vlastnosti strojů jsou
v souladu se zvolenými optimalizačními kritérii, paralelně
modifikovány výzkumem fyzikálních a užitných vlastností
nových materiálů a speciálními technologickými postupy.
V sekci 1 výzkum zahrnuje procesní optimalizaci vodíkového
motoru se zaměřením na extrémní snížení emisí do ovzduší
s přímým zacílením na budoucí předpisy ZEV (Zero Emision
Vehicle). Výzkum aktivně řízeného podvozku automobilu
sleduje vhodnou implementací elektromechanických prvků
do podvozku automobilu zvýšení bezpečnosti jízdy a zmenšení
manévrovacího prostoru při otáčení a parkování. Výzkum
v oblasti procesní optimalizace tvarování skla a konstrukční
optimalizace robotizovaných manipulací přinesl novou
metodiku modifikované viskoelastické odezvy sklovin, nástroj
pro optimalizaci chlazení sklářských forem, nová vakuová
chapadla pro manipulaci s plochým sklem a novou metodiku
objekt-ivního určování jakosti plochého skla. Výzkum v oblasti
navíjecích a odvíjecích systémů přinesl nové poznatky o fyzikální
podstatě navíjecích procesů. Nové principy navíjení uplatňují
v novém zařízení mechatronické moduly a nové materiály
umožňující zvýšit rychlost a eliminovat rázové projevy nitěnek. Nové postupy zformulované pro metodu Rapid prototyping umožnily
realizovat tvarově a rozměrově nové prototypy s požadovanými
fyzikálními vlastnostmi na novém unikátním zařízení.
V sekci 2 byla činnost zaměřena na materiálový výzkum
a pokročilé technologické procesy. Materiálový výzkum byl
orientován na výzkum zpracovatelnosti a aplikačního potenciálu aluminidů, na procesy modifikace povrchů tenkými vrstvami, zejména uhlíku pro řezné nástroje, uhlíko – polymerové
nanokompozity na bázi textilních materiálů, up-scaling modifikaci v nízkotlaké plazmě pro PE, PP a semena. V technologické oblasti výzkum zahrnuje monitorizaci a popis časových
průběhů teplot a tlaků při zpracování plastů, technologických
parametrů, podmínek zpracování plastů a konstrukci forem
s nekonvenčním způsobem temperace. Výzkum je směrován
na využití numerických metod pro optimalizaci tváření kovů,
tváření s proměnným přidržovacím tlakem, tribologii a na
popis deformace procesů tváření, na výzkum v oblasti slitin
hliníku a modifikovaných litin, simulace tlakových procesů
lití, na simulace a optimalizace svařování aluminidů včetně
stanovení svařovacích parametrů k predikci vad. Výzkum
technologie obrábění směřoval k optimalizaci hraničních
technologických parametrů obrábění, sledování a predikci
integrity povrchu a řezných podmínek obrábění a na monitorizaci procesu broušení supertvrdými brousicími kotouči
a aplikace analýzy signálu akustické emise.
Úvodní slovo
1
V sekci 3 výzkum hlukových a vibračních signálů spočívá v experimentálním ověřování metod pro časově-frekvenční analýzu kavitačního šumu a zdokonalování algoritmů pro analýzu
vibrací převodovek a optického vyzařování z kavitačních bublin. Výzkum vibroizolačních prvků se uskutečňoval realizací
experimentálních zařízení, měřením statických a dynamických charakteristik kompozitních materiálů s pryžovou matricí
a sledováním vlivu stárnutí kompozitního materiálu na jeho
dynamické a útlumové vlastnosti. Byly zpřesněny simulační
modely vlnovcových pneumatických pružin a pro modelování
pěnových materiálů bylo ověřováno užití metody umělých neuronových sítí. Byla realizována měřící platforma pro dynamickou analýzu rozložení tlaku v kontaktní zóně sedačka-člověk
a prováděno měření absorpce energie mechanických vibrací
a sestaven zjednodušený biomechanický MKP model sedícího
lidského těla. Dokončeny byly práce k aplikaci řízeného
magnetoreologického tlumiče na sanitním lehátku, došlo
k zpřesnění modelu dvouplášťového automobilového hydraulického tlumiče s dvoufázovou kapalinou, testovacímu měření
tlumičů a ladění software pro ovládaní průtoku komorou v závislosti na tlaku kapaliny. Paralelně se provádělo měření obsahu
vzduchu v hydraulickém oleji pomocí akustického bublinkového spektrometru.
Výzkum vibroizolačních systémů sledoval ověřování systémů
aktivního řízení mobilních soustav, měřením na čtvrtinovém
modelu podvozku, ověřováním funkce fyzikálních modelů
sanitního lehátka a automobilové sedačky na speciálních
zkušebních zařízeních. Soustava sanitního lehátka byla
rozšířena o PID regulaci tlaku v pneumatických pružinách. Autoreflexní vibroizolační systém pružícího podstavce sedadla
řidiče byl realizován jako pneumaticko – mechanický systém
včetně elektronického řízení. Byl zahájen výzkum účinků vibrací
na lidský organismus při působení v obecném směru a byla
navržena kritéria pro posuzování účinků vibrací na člověka.
Výzkum robotizovaného podvozku určeného pro zdravotně
sociální užití vyústil do funkčního modelu podvozku.
v ejektorech a metodám optimalizace subsonického ejektoru.
Byl odladěn algoritmus optimalizace vnitřního tvaru razníku
pro lisování skla. Výzkum kavitace sledoval kolaps laserem
generované bublinky, proběhla implementace analytického
modelu a vyhodnocení erozivního potenciálu kavitace podél
pevných stěn a testovací měření spektra bublin pomocí akustického bublinkového spektrometru. Proběhl výzkum kavitace
za škrtícím elementem hydraulického tlumiče. Výzkumem kavitace v tekutinových mechanismech proběhla implementace
jednorozměrného modelu kavitační bublinky do komplexního
modelu fyzikálního a matematického popisu kavitační eroze
obtékaných těles – lopatek. Probíhá výzkum kavitace ve vodě
zaměřený na experimentální vyšetřování kolapsu teplem
a pulsem generované bublinky v různých vzdálenostech od pevné a pružné stěny.
Výzkumný záměr „Optimalizace vlastností strojů v interakci s pracovními
procesy a člověkem“ je zaměřen do čtyř
základních oblastí výzkumu:
• výzkumné směry v první části se zabývají
procesní a konstrukční optimalizací speciálních strojů
a zařízení;
V sekci 4 byla výzkumem termodynamických dějů řešena
problematika stability mezní vrstvy, kanálového proudění,
ovlivnění příčným pulzujícím proudem tekutiny a problematika termoakustiky. Pro studium stability mezní vrstvy byla
navržena tažná nádrž pro simulaci obtékání těles v různých
režimech v klidné kapalině a byly provedeny experimenty vizualizace kanálového proudění metodou PIV. Studium pulzujících proudů bylo zaměřeno na stanovení charakteristik
budících členů, interferometrická měření průhybu membrány
s naměřeným rychlostním polem na výtoku z trysky a studia
termoakustiky a buzení syntetizovaných proudů.
Probíhalo zdokonalování holografické inter ferometrie pro
identifikaci nestacionárních teplotních polí. Výzkum syntetizovaných proudů vedl k identifikaci směšovacích procesů
2
Úvodní slovo
• v druhé části je zaměřen na materiálový výzkum
a pokročilé technologie;
• třetí část je orientována do specifické oblasti
hlukových a vibračních signálů a zejména do oblasti
vibroizolace;
• v poslední čtvrté části jsou podrobovány výzkumu
vybrané termodynamické děje a jejich aplikace.
Vykonavatelem výzkumného záměru je Fakulta
strojní a v průběhu řešení svým záběrem využívá široké
spolupráce s dalšími fakultami TU v Liberci.
www.tul.cz
Výzkumný záměr:
„Optimalizace vlastností strojů v interakci s pracovními procesy a člověkem“
– řízení práce výzkumného záměru, řešitelský tým
Technická univerzita v Liberci získala ve veřejné soutěži sedmiletý projekt (2005 - 2011) – výzkumný
záměr „Optimalizace vlastností strojů v interakci s pracovními procesy a člověkem“ – s uznanými náklady v celkové výši 169,7 mil. Kč (jako příjemce formou dotací z MŠMT obdržela 137 mil. Kč a spoluúčast
činila 32,7 mil. Kč).
Cílem výzkumného záměru bylo komplexní řešení specifických
problémů z oblasti strojírenské techniky zaměřené na optimalizaci
vlastností strojů a zařízení v interakci s inovovanými pracovními procesy se zaměřením na zvýšení jejich výkonnosti, životnosti a snížení energetické náročnosti, zlepšení pracovního prostředí minimalizací vibrací,
hluku a užitím nových materiálů a perspektivních technologií.
Projektový tým, který zahrnoval v průběhu řešení až 75 tvůrčích
pracovníků a představoval 28,5 přepočteného úvazku, byl na dobu řešení
rozdělen do čtyř pracovních sekcí, ve kterých byla řešena tematicky blízká
problematika. Do čela každé sekce byli ustaveni vedoucí, kteří zajišťovali
operativní odborné řízení dílčích úkolů řešených v příslušné sekci.
Rozdělení do čtyř řešitelských týmů usnadnilo i ekonomické řízení projektu.
Vývoj kvalifikace členů řešitelského týmu v letech 2005 - 2010
Kvalifikační struktura řešitelského týmu v letech 2005 - 2010
Činnost výzkumného záměru
je řízena manažerským týmem ve složení:
doc. Ing. František Novotný, CSc. – řešitel výzkumného záměru a vedoucí sekce1;
prof. Dr. Ing. Petr Lenfeld – vedoucí sekce 2;
doc. Ing. Ludvík Prášil, CSc. – vedoucí sekce 3;
doc. Ing. Jiří Unger, CSc. – vedoucí sekce 4;
Ing. Jiří Pech – správce rozpočtu.
V uplynulých šesti letech byl průběh prací, plnění cílů a výsledků
řešení výzkumného záměru každoročně hodnocen vnitřním auditem - oponentní radou, jejímiž členy byli pracovníci z akademických
pracovišť a ÚT AV ČR.
Oponentní rada pracovala v ustáleném složení:
prof. Ing. Jaromír Příhoda, CSc. předseda komise, ÚT AV ČR Praha
doc. Ing. Pavel Baumruk, CSc. člen komise – oponent, FS ČVUT v Praze
Ing. Milan Hortel, DrSc. člen komise – nezávislý expert Praha
RNDr. Pavel Jonáš, DrSc. člen komise – oponent, ÚT AV ČR Praha
Prof. Ing. Ctirad Kratochvíl, DrSc. člen komise – oponent, FSI VUT v Brně
prof. Ing. Jaroslav Menčík, CSc. člen komise – oponent, Univerzita Pardubice
doc. Ing. Pavel Rumíšek, CSc. člen komise – oponent, FSI VUT v Brně
Vnitřním auditem byla podrobně hodnocena úroveň věcného
plnění dílčích úkolů hodnocené etapy řešení výzkumného záměru,
podrobně byly rozebrány dosažené výsledky a kriticky zhodnoceny uplatněné výstupy, přičemž v pěti oponentních posudcích
byly zevrubně hodnoceny písemné podklady v úhrnném rozsahu
cca 1200 stran textu.
Jednotlivé etapy řešení výzkumného záměru byly rovněž hodnoceny auditem MŠMT, pro který byly zpracovány 3 periodické zprávy
s příznivým hodnocením, které bylo základem pro zařazení výzkumného záměru do nejvyšší kategorie A.
Řešitelský kolektiv výzkumného záměru
Řešitelské týmy jednotlivých sekcí výzkumného záměru byly složeny
z odborníků z různých vědních disciplin, čímž byla zajištěna spolupráce
lidí s hlubokými znalostmi fyzikálních principů, matematických metod
zpracování a optimalizace dat, s technology, konstruktéry a procesními techniky, laboranty, odborníky na software a hardware a na řízení
procesů strojů a zařízení.
Z grafu nahoře je patrný vývoj řešitelského týmu z hlediska kvalifikační
struktury v průběhu řešení VZ v letech 2005 – 2010 (rok 2011není zahrnut do statistiky). Je patrné, že došlo k výraznému posunu kvalifikace
klíčových pracovníků řešitelského týmu. V souvislosti s řešením problematiky výzkumného záměru bylo úspěšně obhájeno 26 disertačních
prací, 17 členů řešitelského týmu získalo doktorát v době řešení
výzkumného záměru, bylo zpracováno a úspěšně obhájeno 14 habilitací a podařilo se uplatnit 8 profesorských řízení.
Je možné konstatovat, že vedle zkvalitnění kvalifikační struktury řešitelského týmu byla rovněž, na platformě široce tematicky
zaměřeného výzkumu v rámci VZ, realizována řada disertačních
prací v rámci doktorandského studia na pracovištích FS, došlo k obohacení doktorské i magisterské výuky ve studijním programu Strojní inženýrství, v oborech Konstrukce strojů a zařízení, Aplikovaná
mechanika, Strojírenská technologie, Materiálové inženýrství a v doktorském programu Stroje a zařízení. Řešením VZ se zabývala značná
část výzkumných kapacit Fakulty strojní a do řešení byla zapojena řada
odborníků z dalších fakult TU v Liberci.
Na výzkumném záměru nalezlo hlavní výzkumné uplatnění
41 klíčových pracovníků s více než 50% pracovního úvazku a 12 dalších
výzkumníků s menším úvazkem, celkový pracovní úvazek výzkumného záměru na počátku řešení v roce 2005 činil 28,1 přepočteného
úvazku a v roce 2010, tj. v předposledním roce řešení, nalezlo na řešení
problémů výzkumného záměru uplatnění 77 tvůrčích pracovníků.
Výzkumný záměr
3
Konstrukční
a procesní
optimalizace
• Výsledky výzkumu podtlakových úchopných hlavic;
• Analýza obrazu s užitím fraktální geometrie;
• Optimalizace nástrojů pro tvarování skla;
• Vývoj nového dokonalého křížového vinutí DPKV
a zařízení pro jeho navíjení;
• Konstrukční a procesní optimalizace vodíkového motoru;
• Optimalizace uzlů aktivně řízeného podvozku;
• Vývoj prototypů výrobků a reverse engineering.
4
Konstrukční a procesní optimalizace
1.
www.tul.cz
Výsledky výzkumu
podtlakových úchopných hlavic
Ing. Marcel Horák, Ph.D.
Během řešení výzkumného záměru byly významné výsledky rovněž dosaženy při optimalizaci
podtlakových úchopných hlavic pro robotizovanou manipulaci s plochými objekty. Počítačovou
simulací byla provedena podrobná analýza deformačního chování úchopných prvků - přísavek (obr. 1)
s výrazně reologickým chováním a stanovena deformační míra bezpečnosti, s ohledem na
deformace kontaktní plochy mezi přísavkou a objektem manipulace, při působení externích zátěžných sil
a klopných momentů.
obr. 1 Deformace úchopného prvku během radiálního zatěžování (průběh kontaktních sil).
Byl prováděn experimentální výzkum
frikčních poměrů na rozhraní plochého
skla a úchopného prvku a optimálního
rozmístění a počtu jednotlivých přísavek
na rámu úchopné hlavice vzhledem
k uchopené tabuli skla s cílem minimalizovat deformace tabule. Ty jsou dány
nízkou příčnou tuhostí a v konečném
důsledku mohou způsobovat nadlimitní průběh hodnot napěťového pole
v uchopené tabuli a zejména při dynamickém režimu manipulace pak
dochází k progresi mikrotrhlin šířících
se od lomových hran skla vedoucích až
k poškození tabule nebo její destrukci. Vysoké hodnoty deformací vedou
k nežádoucím kontaktům v odkládacích
pozicích nebo s perifériemi výrobních
strojů. Optimální konstrukce úchopných
hlavic umožňuje vhodným rozmístěním
přísavek
minimalizovat
nadměrné
zatěžování uchopeného objektu a eliminovat vady výrobků vázané na proces
manipulace. Na obr. 2 jsou prezentovány
výstupy z počítačové modální analýzy
soustavy: úchopná hlavice – přísavky
- uchopená tabule skla, ze kterých je
patrná optimální poloha čtyř přísavek
symetricky úhlopříčně umístěných
vzhledem k těžišti tabule. Výstupy
experimentů a počítačové simulace byly
shrnuty do efektivně využitelného databázového softwaru (obr. 3). Získané
zkušenosti v simulaci kontaktních úloh
lze uplatnit ve výrobě plochého skla
technologií FLOAT a v následných zpracovatelských procesech, ve kterých je
řada technologických operací doplněna
automatickými systémy manipulační
techniky. Ve výrobě se jedná zejména
o manipulaci s jumbo formáty s maximálními rozměry 3.21 x 6 m, kdy jde
o transport tabulí z válečkové trati
výrobní linky do speciálně navržených
přepravních palet. Manipulační technika s jednoúčelovými speciálními
manipulátory má omezenou míru flexibility, současným trendem automati-
zace je náhrada manipulátorů dvěma
multiúhlovými průmyslovými roboty
se šesti stupni volnosti a multikontaktními podtlakovými úchopnými hlavicemi (obr. 4). Řešení manipulační
úlohy, manipulačního zařízení a úchopné hlavice si vyžádalo splnit podmínky
šetrné a bezdestrukční manipulace.
Zásadním parametrem ovlivňujícím
kvalitativní charakter manipulační úlohy
s jumbo formátovými přířezy plochého
skla, je přesnost polohování kinematického řetězce průmyslového robotu.
Je definována jako rozdíl ΔPV0iA,B mezi
skutečnou a žádanou polohou koncového členu průmyslového robotu,
tj. ΔPV0iA,B = PV0iA,B,REAL - PV0iA,B,IDEAL, kde
PV0iA,B, REAL a PV0iA,B, IDEAL jsou vektory 6x1
popisující polohu natočení koncového
bodu robotu a pozici pojezdového ústrojí vzhledem k referenčnímu souřadnému
systému a závisí na polohové konfiguraci a strukturálních parametrech kinematického řetězce (obr. 5).
Výsledky výzkumu podtlakových úchopných hlavic
5
A
B
obr. 2 Optimální poloha přísavek, tloušťka tabule 1,6 mm (A - čtvercová deska, B - obdélníková deska s typickým poměrem stran √2 ).
obr. 3 Vakuum OPTIM - výpočetní software.
6
www.tul.cz
obr. 4 Kooperace dvou multiúhlových robotů při manipulaci s plochým sklem.
obr. 5 Přesnost polohování.
Uplatnění dvou paralelně kooperujících robotů při manipulaci
s jumbo formáty plochého skla s sebou přináší nové požadavky
na konstrukci úchopných hlavic a zajištění pohybové koordinace dráhy obou robotů. V rámci výzkumu byla pro nasazení
dvou kooperujících robotů provedena metodou konečných
prvků analýza mechanického chování uchopené tabule skla
(3.21 x 6 x 0.004 m) vzhledem k rozdílné orientaci os dvou 16-ti
prvkových úchopných hlavic s kompenzátorem polohy s definovanou osovou tuhostí (obr. 6).
Nové technologické postupy přinášejí nové požadavky na
realizaci uchopovacího procesu. Vyžadují uchopení za jednu
stranu desky bez možnosti využití jejich okrajů v režimech manipulace se sklem ve vertikální poloze tabule a s namáháním
přísavek v rovině kontaktu. Takové zatížení ovlivňuje geometrii
kontaktní plochy vlivem frikčních, adhezních a materiálových
vlastností elastomeru a míry podtlaku, což může vést až ke
kolapsu uchopení.
obr. 6 Kompenzátor polohy.
obr. 7 Podtlakový úchopný prvek s adhezívní kontaktní plochou: a – konstrukční řešení s pneumatickou kompenzací polohy; b – skutečné provedení.
Byla navržena nová koncepce podtlakového úchopného
prvku s adhezní kontaktní plochou, která zvyšuje nosnost
v radiálním směru při současném snižování potřebné úrovně
vakua. Konstrukční řešení (obr. 7) je založeno na kombinaci podtlakového úchopného prvku s tuhou přírubou,
pružným těsnícím lemem a výsuvnou polohovatelnou deskou
opatřenou adhezní vrstvou, na toto řešení byl udělen užitný
vzor a byla podána přihláška vynálezu, realizace je patrná
na obr. 10.
Princip je využitelný v širokém spektru manipulačních
a uchopovacích procesů. Je vhodný pro nerovné a hrubé povrchy objektů a obecně pro aplikace, ve kterých působí externí
síly paralelně s rovinou uchopení. Řešení rovněž minimalizuje
spotřebu tlakového vzduchu a zároveň zachovává úroveň silové odezvy. Lze deklarovat, že adhezní vrstva spolu s opěrnou
deskou má výrazný vliv na stabilitu uchopení a projevuje se
výrazným nárůstem únosnosti. U stabilního kontaktu je nárůst
únosnosti v průměru o 60 %.
Výsledky výzkumu podtlakových úchopných hlavic
7
Analýza obrazu
s využitím fraktální geometrie
Ing. Vlastimil Hotař, Ph.D.
V rámci výzkumného záměru byla vyvinuta metodika pro objektivní hodnocení jakosti výrobků
s použitím matematické statistiky a fraktální
geometrie. Cílem byla kvantifikace obrazu
zachycujícího hladké i složitě strukturované
geometrické prvky, což vedlo k nutnosti použít
několika matematických nástrojů společně pro
objektivní a jednoznačný popis obrazu. Výzkumem byl získán nástroj pro převod získaných
dat do jediného určujícího čísla popisujícího
objektivně jakost výrobku.
Aplikační potenciál vyvinuté metodiky byl odzkoušen pro
kontrolu jakosti plochého skla pomocí tzv. corrugation testu
(test zvlnění), který se provádí v temné místnosti a je založen
na odrazu světla na vzorcích ze 4 m vzdálené zebra desky, což je
matovaná skleněná tabule o rozměru 2 x 1 m s šikmými černými
pruhy. Pozorovatel vizuálně a tedy subjektivně porovnává kvalitu vzorků s etalony. Vzorky se řadí do tříd jakosti od 1,5 do 3,5).
obr. 1 Schéma zařízení pro off-line vyhodnocení jakosti plochého skla: A – zebra
deska, B – fotoaparát, C – stůl s přířezem skla, D – vyhodnocovací jednotka (počítač),
E – stativ, F – snímek přířezu s odrazem zebra desky, G – získané křivky rozhraní.
Cílem bylo tento off-line test objektivizovat pomocí
fotoaparátu, přímo komunikujícího s počítačem a následnou
obrazovou analýzou vyhodnotit jakost. Snímkování odrazu
zebradesky je prováděno v černobílém módu a snímek je automaticky převeden do počítače. Obrazová analýza v sobě
zahrnuje několik nutných kroků: Snímek odrazu zebradesky je
automaticky nalezen, je v něm vybrána a následně digitálně
vyříznuta potřebná část pro analýzu. Vzhledem k charakteru
snímku (kde černé pruhy splývají s okolím) bylo nutné vyvinout
metodu pro přesné určení polohy skla.
Prahováním (jedna ze základních metod obrazové analýzy) je
získán binární snímek a z něj jsou definovány křivky rozhraní.
Pro každou křivku je provedena analýza a výsledky pro všechny
kompletní křivky jsou prezentovány pro jeden vzorek jako
průměrná hodnota, rozpětí výsledků a směrodatná odchylka.
Metodika tedy nehodnotí celý snímek, ale generuje křivky,
které jednoznačně odpovídají jakosti skla.
Pro analýzu byly využity tři metody popisu, vedle statistických
nástrojů (rozpětí, rozptyl, směrodatná odchylka, variační koeficient, odchylka od ideální křivky a dalších) byl použit odhad
fraktální dimenze (pomocí obvodové metody je výsledkem
tzv. obvodová dimenze) a měření délek křivek.
8
obr. 2 Porovnání dvou snímků a jejich stanovené jakosti.
www.tul.cz
Pro hodnocení jakosti tak bylo použito několika parametrů,
které jsou získány diametrálně odlišnými metodami. Důvodem
je vnímání lidského oka, které vnímá jak pravidelné struktury,
tak odhaduje zároveň i míru složitosti (strukturovanosti) sledovaných objektů. Obrazová analýza proto musí obsahovat jak
klasické statistické nástroje, tak fraktální dimenzi a další.
Analýzou stovek dřívějších měření novou metodikou byly
vypočtené parametry měření porovnány s dřívějším subjektivním hodnocením a přepočteny pomocí váhových
koeficientů, což umožnilo zachovat původní vnitřní normu
rozdělující sklo podle zvlnění do tříd jakosti v intervalu hodnot
od 1,5 do 3,5.
Výsledky metodiky obrazové analýzy byly implementovány
do softwaru Vlnitost, který byl vyvinut v prostředí Matlab
7 a kompilovány pomocí programu Matlab-Compiler
4 do samo-spustitelného programu, který není závislý
na prostředí Matlab, ale pouze na jeho knihovnách, nainstalovaných v počítači. Většina úkonů hodnocení jakosti plochého
skla je podle nové metodikyautomatizována a analýza včetně
automatického snímkování (komunikace mezi počítačem
a fotoaparátem) odstartována jediným tlačítkem. Pro standardní parametry vzorku, zadané operátorem, je analýzou
podle softwaru objektivně vyhodnocena výsledná jakost.
Výsledky a zadané parametry vzorku jsou dlouhodobě archivovány tak, aby bylo možno sledovat změny jakosti v čase.
Základní poznatky z vývoje obrazové analýzy v rámci výzkumného záměru byly použity pro návrh, instalaci a oživení zařízení
v provozu, což bylo realizováno v rámci průmyslového grantu
s firmou AGC Flat Glass Czech, a.s., Teplice.
Dalším logickým krokem v implementaci metodiky v průmyslu
je její využití pro objektivní hodnocení přímo na lince. Vyvinutá
metodika a získané zkušenosti s provozem off – line zařízení
byly využity pro provozní ověření on-line zařízení umístěného
na lince a provedené experimenty prokázaly možnost
efektivního funkčního nasazení pro kontinuální sledování
jakosti v provozních podmínkách.
Matematický fraktál
- obdivuhodný výtvor matematiky s vysokou estetickou hodnotou.
Analýza obrazu s využitím fraktální geometrie
9
Optimalizace nástrojů pro tvarování skla
Ing. Ivo Matoušek, Ph.D.
V rámci výzkumného záměru byla řešena také problematika optimalizace technologických procesů
tvarování skloviny. Byla vytvořena dvoustupňová metodika prediktivní optimalizace umožňující na
základě požadovaného vývoje teplotních a deformačních polí, rychlostí deformace a průběhu technologických parametrů tvarovacího cyklu, optimalizovat konstrukci a chlazení tvarovacích nástrojů.
Jádrem systému je komplexní virtuální nelineární termomechanický model MKP. Pro zpřesnění
popisu reologických vlastností je virtuální model doplněn o externí nástroje, umožňující na základě
vyhodnocení experimentálně naměřeného průběhu viskoelastické odezvy válcového vzorku skloviny
na vnější tlakové zatížení identifikovat elastické a tokové vlastnosti tvarované skloviny v závislosti na
její viskozitě a rychlosti deformace. Základem použitého algoritmu je analytický model vytvořený pro
efektivní popis průběhu silové odezvy viskozitního válečku na vnější tlakové zatížení, zohledňující reálné podmínky experimentu, tj. velké deformace a proces disipace deformační energie.
Navrženou metodiku lze efektivně
uplatnit v předvýrobní fázi při modifikaci konstrukce sklářských tvarovacích
nástrojů a systému jejich chlazení. Obvyklým optimalizačním kriteriem je
minimalizace teplotních diferencí po-
a.
dél pracovního povrchu tvarovacích
nástrojů, především ve fázi dávkování
skloviny a také během lisování. Minimalizace teplotních gradientů a teplotních špiček na pracovním povrchu tvarovacího nástroje kladně ovlivňuje jakostní
b.
parametry vyráběné produkce, zvyšuje
stabilitu tvarovacího cyklu a zároveň má
pozitivní vliv na zkrácení tvarovacího
cyklu (obr. 1).
c.
obr. 1 Rozložení teplotních polí ve vybraných modifikacích sklářské formy –
a. - výchozí stav, b. - optimalizované řešení - 7. iterace, c. - optimalizované řešení při zkrácení tvarovacího cyklu o 10%.
Využití
prediktivní
optimalizace
u tvarově složitých vodou chlazených
razníků umožnilo vytvořit novou koncepci chlazení, jejíž aplikce založená
na cílených konstrukčních úpravách
poskytuje výrazné možnosti pro ho-
10
mogenizaci rozložení teplotních polí
podél pracovního povrchu, stabilizaci
tvarovacího cyklu a snížení výskytu technických problémů a výrobních vad (obr.
2 a 3).
Navrženou metodiku lze efektivně
využít i v případě lisování tvarově
složitějších skleněných výlisků pro
optické aplikace, kde je kladen důraz
na dosažení extrémních rozměrových
a geometrických tolerancí.
www.tul.cz
a.
b.
obr. 2 Rozložení teplotních polí v razníku v okamžiku dávkování – výchozí návrh (a.), finální modifikace (7. iterace).
obr. 3 Porovnání teplotních rozdílů podél pracovního povrchu razníku v horizontální rovině vzdálené 70mm ode dna – v okamžiku dávkování skloviny.
Optimalizace nástrojů pro tvarování skla
11
Vývoj nového dokonalého přesného křížového
vinutí DPKV a zařízení pro jeho navíjení
doc. Ing. Martin Bílek, Ph.D.
Výzkumem přesného křížového vinutí bylo u současných navíjecích strojů zjištěno zvětšování
osových vzdáleností sousedních navíjených nití s rostoucím poloměrem navíjené cívky. Mezery
dosahují u běžných textilních cívek cca 30%, v určitých případech mohou přesáhnout 100% tloušťky
navíjeného materiálu. Vznik mezer způsobuje nejenom estetické vady, např. u návinů šicích nití. Pokud
je z provozně-technologických důvodů třeba do daného objemu cívky umístit co nejvíce materiálu, jsou
problémy vážnější. Typickým příkladem jsou cívky s kobercovou, případně jinou silnou přízí, šňůrou,
nebo lanem. Rozměry těchto cívek jsou omezeny danou technologií, z provozních (častá výměna
cívek, prostoje), popřípadě kvalitativních důvodů (nutnost častého navazování a vznik uzlů) a často
i z důvodů přepravy, kdy je požadována minimalizace objemu cívky.
Problém byl zkoumán teoreticky
a byla zjištěna příčina, která způsobuje
zvětšování osových vzdáleností sousedních navíjených nití s rostoucím
poloměrem navíjené cívky u současných
navíjecích strojů a byl definován vztah
určující zvětšování osových vzdáleností
sousedních navíjených nití, v závislosti
na rostoucím poloměru, soukacímu
poměru a šířce navíjené cívky. Analýza
poskytla řadu nových obecně platných
poznatků a teoretických vztahů, které
usnadňují výpočty převodů navíjecích
strojů.
Výsledkem řešení tohoto problému
bylo vytvoření nového systému dokonalého přesného křížového vinutí
(DPKV), u kterého bylo aplikováno tzv.
řízené navíjení, které je možné aplikovat do mechanizmu pro přesné křížové
vinutí. Řízené navíjení umožňuje pomocí vypočteného řídicího programu
řídit převodový poměr mezi vřetenem
a rozváděcím mechanismem až na sedmém místě za desetinnou čárkou
a navíjet nitě se stejnou osovou vzdáleností, bez mezer, v celém průřezu
obr. 1 Model navíjecího stroje pro DPKV.
12
navíjené cívky, což umožňuje realizovat
náviny s vyšším využitím daného objemu
v průměru o 5-25%, ve spojení se speciálními technologiemi až o 100 %.
Byly vypočteny, navrženy a zrealizovány dvě varianty navíjecích systémů
s DPKV. V první variantě bylo pro řízení
převodu v průběhu navíjení využito
vypočtené vačky a vypočtených
křivkových /globoidních/ řemenic, což
představuje
mechanicko-analogový
systém řešení DPKV, který má určitá
omezení v možnosti volby změny
parametrů návinu (soukací poměr)
a změny rozsahu jemností navíjených nití,
při změně kterých je nutný výpočet, výroba a výměna nových vaček a řemenic.
V druhé variantě bylo pro funkční
vzorek navíjecího stroje pro DPKV využito
současného vývoje v oblasti řízených
převodů, který umožňuje programové řízení převodu dvou os pohonů již
na osmém místě za desetinnou čárkou.
To s uplatněním teorie DPKV umožnilo
využití řízených pohonů na aplikaci pro
návrh a realizaci modelu navíjecího stro-
je, čímž se zjednodušila a zefektivnila realizace tohoto zařízení, které se tak stává
flexibilnějším tím, že změny parametrů
návinů v širším rozsahu je možné zadávat softwarově bez nutnosti výroby
a výměny drahých převodových komponent. Tato metoda je však náročnější
na přípravu a programování softwaru.
Výsledky teorie DPKV umožnily
dále návrh a realizaci dnes již výrobně
ověřeného programu „SPIRAL“, který
umožňuje na základě požadovaných
parametrů přesného křížového návinu
cívky skleněného rovingu (vzdálenost
navíjených vláken, počet bodů vratů
na čele cívky, úhel stoupání na konci
návinu, a řada dalších) vypočítat a vybrat optimální převodový poměr dvou
řízených převodů navíjecího stroje na 8 desetinných míst za desetinnou čárkou,
vykreslit počet a požadované délky spirál
tvořených body vratu na čele navíjené
cívky s možností jejich korekce, délky
návinu, dobu návinu a další technologické parametry navíjecího procesu,
které dosud bylo nutné pracně počítat,
zkoušet a ověřovat.
obr. 2 Pohled na funkční vzorek navíjecího stroje pro DPKV a detail návinu.
Vývoj nového dokonalého přesného křížového vinutí DPKV a zařízení pro jeho navíjení
www.tul.cz
Vodíkové motory a podvozky
1. Konstrukční a procesní optimalizace
vodíkového motoru
Prof. Ing. Celestyn Scholz, Ph.D.
Ing. Josef Blažek, Ph.D.
V laboratoři vozidel a motorů Technické univerzity v Liberci bylo vybudováno stanoviště pro výzkum
spalovacího motoru na vodík (obr. 1). Vodík je přiveden vysokotlakým vedením (20 MPa) od zdroje
a před injektáží do motoru je tlak paliva regulován na 1 – 10 MPa. Stanoviště je vybaveno novou měřicí
technikou pro zjišťování výkonových parametrů motoru, spotřeby vzduchu a paliva, měření tlaku
uvnitř válce motoru, měření tlaků v přívodu paliva k jednotlivým vstřikovačům, tlaku v palivovém railu
motoru, měření jednotlivých složek emisí ve výfukových plynech a v klikové skříni. V rámci řešení projektu vodíkového motoru byla optimalizována příprava směsi ve válci motoru prostřednictvím přímé
injektáže. Předností je zvýšení účinnosti a odstranění nestandardních jevů spalovacího motoru. Vodíkový motor s přímou injektáží vodíku do válce je připravován pro ověření parametrů v osobním automobilu. Dále byl prováděn výzkum nového typu zapalovací svíčky s obloukovým výbojem, při němž
vznikl užitný vzor č. CZ19702U1 ze dne 8. 6. 2009 a udělen patent č. 302697 ke dni 27. 7. 2011.
Simulační model motoru 1.2 H2 - DI.
obr. 1 Brzdové stanoviště vodíkového motoru s detailním pohledem na motor, s ukázkou zástavby různých typů palivového railu a simulačního modelu motoru.
13
2. Optimalizace uzlů aktivně řízeného podvozku
doc. Ing. Miroslav Malý, CSc.
Ing. Robert Voženílek, Ph.D.
Ing. Pavel Brabec, Ph.D.
Na katedře vozidel a motorů (KVM) FS TUL bylo vytvořeno zkušební zařízení pro zkoumání systémů
směrového řízení vozidel. Na zkušebním zařízení je možné analyzovat mechanické a další vlastnosti
jednotlivých konstrukčních uzlů a vytvářet řídicí a regulační algoritmy pro ovládání těchto systémů.
Zkušební zařízení umožňuje začlenit do zkoušené soustavy
i reálnou pneumatiku a pružné uložení členů nápravy.
Vyměnitelná podložka pod pneumatikou umožňuje simulaci chování systému pro různé typy povrchů s rozdílným
součinitelem adheze (v rozmezí asfalt - led). Posuvné vedení
pod pneumatikou umožňuje vytvářet změnu zatížení nápravy
např. v závislosti na obsazení vozu.
V rámci řešení projektu se na zkušebním zařízení provádí
ověřování vlastností systému směrového řízení typu by–wire
pro použití v osobním automobilu.
Během řešení vznikl užitný vzor č. 22389U1 ze dne 22. 2. 2011
a byla podána přihláška vynálezu.
obr. 1 Speciální modulová koncepce zkušebního zařízení pro testování systémů směrového řízení osobních automobilů v laboratoři Katedry vozidel a motorů.
14
www.tul.cz
Vývoj prototypů výrobků a reverse engineering
prof. Ing. Přemysl Pokorný, CSc.
V rámci výzkumného záměru na Katedře výrobních systémů byl sledován vývoj metod Rapid
Prototyping a Reverse Engineering s možnostmi jejich aplikací. Obě metody umožňují podstatné
zkrácení času ke zhotovení prvotních prototypů nových výrobků, ale i vytvoření dat a kopií složitých
výrobků bez dokumentace.
Postup tvorby prototypů byl až dosud klasický s uplatněním běžných
technologií. Rapid Prototyping nyní
uplatňuje nové postupy, a to nanášením
materiálu. Je to nový přístup, který vychází z možností modelování výrobků
virtuálně v CAD jako solid 3D objekty,
které se zpracují do podoby složené
z horizontálních řezů a tyto se pak
postupným
nanášením
materiálu
reálně sestaví (spojí). Obrovskou výhodou tohoto postupu je, že jakmile jsou
připravena data o výrobku ve 3D, ve velice krátké době (řádově hod.) je k dispozici fyzický reálný produkt. Řada výrobců
se zabývá a nabízí různá zařízení, která
umožní aplikovat odlišné materiály
s odlišnou technikou a postupem.
Každý způsob a materiál má specifické
výhody i nevýhody. Na katedře aplikujeme levnější a přístupnější zařízení
pracující na principu nanášení vrstev
nataveného plastu (metoda FDM- Fuse
Deposition Modeling, plast typu ABS).
Zařízení umožní stavbu složitých dílů až
do rozměru 210*210*300 mm s tím, že
podpory, které jsou nezbytné ke stavbě
a pokládání vrstev v převisu, jsou z materiálu, který se snadno rozpustí ve vodě
a lze tedy pracovat s dosti jemnými detaily. Zařízení je typu DIMENSION od firmy
Stratasys USA a je ukázáno na obr. 1.
Přesto, že je postup a zhotovení
relativně snadné, nevýhodou se může
ukázat potřeba prototypu z jiného,
odolnějšího, materiálu, či početnější
série nad jeden kus. V těchto případech
navazujeme další technologií, a to zhotovením silikonové formy, která tvoří
nástroj pro vakuové odlití dalších (série)
prototypů z jiných materiálů (nejčastěji
různě
modifikovaných
pryskyřic),
nebo modelů z vosku pro zhotovení
skořepinových forem k odlití kovů.
obr. 1a
Odlévání silikonu je rovněž vhodné
při obnově poškozených výrobků,
či kopii složitého dílu neznámého
původu. Vakuum je nezbytné jednak při
homogenizaci formy, jednak při odlévání
vlastního materiálu ke správnému
vyplnění členitých dutin. Postup zhotovení složitého prototypu rotačního
dmychadla je ukázán na obr. 2, kde je:
a) prototyp z ABS,
b) silikonová forma,
c) zhotovený odlitek.
obr. 1b
Vývoj prototypů výrobků a reverse engineering
15
obr. 2a
obr. 2b
obr. 2c
Tímto postupem jsou připravovány
prototypy značné složitosti, kde je
nebezpečí chyby v datech či jiné
úchylky, a skutečným ověřením, testy
a měřením lze před zahájením přípravy
výroby odstranit zásadní nedostatky. Typ
složitějšího prototypu je zobrazen na obr.
3, kde je: a) pohled na odlitek s jádrem
nezačištěný, b,c) konečný prototyp.
obr. 3a
obr. 3b
obr. 3c
Nezbytným a velmi užitečným pomocníkem pro kombinaci výrobek – unikát
a tvorba 3D dat s podklady a ověřením
v prototypu, je optické měření s REVscan,
které je přenosné a umožní s přesností
mm získat informace o tvaru
0,05 součásti v podobě mraku bodů. Tyto
jsou pak softwarově převedeny v CAD
na 3D těleso. Hlavní výhodou přenosné
hlavice je možnost scanování tvarů
hmotných a rozměrných dílů na místě
bez nutnosti přemisťování na speciální
měřící stanoviště. Ukázka přenosné hlavice je na obr. 4 a některé z vývojových
prototypů výrobků na obr. 5.
obr. 4
16
Vývoj prototypů výrobků a reverse ingeneering
obr. 5
Závěr
Uvedené příklady jsou praktickými výstupy realizovaného výzkumu
a vývoje nových výrobků s využitím
Rapid Prototypingu a Reverse Engineeringu s optickým scanováním.
V průběhu řešení dílčích úkolů byla
ověřena metodika postupu tvorby
rozmanitých prototypů a specifikovány nové možnosti rozvoje těchto
technologií a jejich využití. Bylo
zhotoveno a odzkoušeno mnoho
různých prototypů z různých oblastí
využití i s porovnáním různých metod, a tedy i materiálů. Byla aplikována i nová metodika na kombinaci
výroby složitých forem obráběním
na CNC s efektivním využitím vložek
zhotovených pomocí RP.
www.tul.cz
Nové materiály
a pokročilé
technologie
• Nástroj pro tažení s proměnnou přidržovací silou;
• Nátěrová hmota s plnivy pro zlepšení otěruvzdornosti a pružnosti;
• Monitorizace procesu obrábění analýzou signálu
akustické emise při broušení;
• Parametrizace technologie extruze parizonu
z hlediska viskoelastických vlastností taveniny polymeru;
• Měření plynotvornosti slévárenských směsí při tepelné zátěži;
• Analýza výskytu kritických míst u svarků z aluminidu typu Fe3Al.
2.
Nové materiály a pokročilé technologie
17
Nástroj pro tažení
s proměnnou přidržovací silou
Ing. Pavel Solfronk, Ph.D.
Technologie tažení plechů se používá pro výrobu kovových součástí ve všech průmyslových oborech.
Tato technologie umožňuje zhotovení součástí rozmanitých tvarů, rovinných nebo prostorových,
jakož i součástí nejrůznějších velikostí. Výhodou takto zhotovených součástí je kvalitní povrch, vysoká
přesnost předepsaných rozměrů a poměrně vysoká tuhost při minimální váze součásti. Limitujícím
faktorem při návrhu technologie tažení je maximální možná deformace tvářeného materiálu při zvolených technologických podmínkách. Jednou z rozhodujících podmínek pro výrobu kvalitního výlisku
při dosažení maximální možné deformace na výlisku je určení velikosti a průběhu přidržovacího tlaku
při zhotovení součásti. Při volbě malého přidržovacího tlaku dochází na výlisku ke zvlnění a následně
vzniku trhliny důsledkem nedostatečné tažné vůle. V tomto případě nedochází k požadovanému
přetvoření výlisku a plastické schopnosti tvářeného materiálu nejsou využívány. V okamžiku volby
vysokého přidržovacího tlaku dochází na výlisku k nežádoucímu rozvoji deformace vedoucí ke vzniku
trhliny vlivem vyčerpání plastických schopností tvářeného materiálu. Oba výše popsané případy jsou
pro zhotovení výlisku nepřípustné.
Cílem výzkumu v oblasti technologie tažení plechů byl
vývoj nástroje umožňujícího v průběhu tažení měnit rozložení
a velikost přidržovacího tlaku v závislosti na hloubce tažení
a tím dosáhnout maximálního využití plastických vlastností
tvářeného plechu. Tímto přístupem je možné snížit počet
tažných operací u složitých výlisků a dosáhnout optimálního
přetvoření v ploše výlisku u jednodušších typů výlisků. Výsled-
kem výzkumu byla konstrukce a výroba tažného nástroje
s přidržovačem rozděleným na několik segmentů, které lze
samostatně ovládat hydraulickými válci. Na obr. 1 je předložen
CAD model sestavy tvářecího nástroje a reálný nástroj umístěný
na hydraulickém lisu CBA 300/63 v prostorách technologických
laboratoří.
obr. 1 CAD model nástroje a reálný nástroj na lisu CBA 300/63c
Změna velikosti přidržovací síly na jednotlivých přidržovacích
segmentech je řízena softwarem ovládajícím hydraulický
obvod. Kriteriem pro vyvození změny přidržovací síly je dosažení
hloubky tažení. Pro zjištění optimálního průběhu přidržovacího
tlaku byl využíván software PAM STAMP 2G umožňující
18
numerické modelování technologických procesů tažení při
respektování všech technologických faktorů podílejících se
na procesu tažení. Kromě základních vstupních dat jako jsou
údaje o mechanických vlastnostech tvářeného materiálu, tvar
funkčních ploch a volba technologických podmínek, software
www.tul.cz
zohledňuje i průběh koeficientu tření mezi jednotlivými částmi
nástroje v závislosti na rychlosti a teplotě, kinematiku pohybu
jednotlivých funkčních částí nástroje, průběh přidržovacího
tlaku atd. Zjištění optimálního průběhu přidržovacího tlaku
tak bylo pro zvolené technologické podmínky poměrně rychlé
a efektivní. Na obr. 2 je ukázka rozložení deformace (ztenčení
plechu) na výlisku po numerickém výpočtu při zadaných technologických podmínkách a znázornění deformací v diagramu
mezních přetvoření. V grafickém znázornění rozložení deformace jsou patrná kritická místa výlisku.
obr. 2 Rozložení deformace na výlisku a znázornění deformace v diagramu mezních přetvoření (FLC).
Průběh přidržovací síly získaný pomocí numerické simulace
v prostředí PAM STAMP 2G byl využit při reálném lisování výlisku olejové vany. Verifikace zvoleného postupu byla provedena na základě analýzy rozložení deformace na výlisku
získaného numerickou simulací a lisováním reálného výlisku.
Rozložení a velikost deformace na reálném výlisku byla provedena s pomocí optických systémů bezkontaktní analýzy deformace ARGUS a ARAMIS. Výsledky měření rozložení deformace
na reálném výlisku jsou vidět na obr. 3.
obr. 3 Výlisek zhotovený technologií tažení s proměnnou přidržovací silou a příklad analýzy rozložení deformace na výlisku.
Na základě provedeného výzkumu v oblasti tváření kovů byla
vyvinuta „technologie tažení plechů s proměnnou přidržovací
silou“, která je využívána ve firmě LUCID spol. s r.o. Konstrukční
řešení nástroje je chráněno na základě registrace užitného vzoru.
[1] SOLFRONK, P., SOBOTKA, J., Smlouva o uplatnění technologie „Tažení výlisků
s proměnnou přidržovací silou“ (typ aplikovaného výzkumu „Z“-ověřená technologie).
[2] SOLFRONK, P., „Zkušební přípravek pro zjišťování mezních stavů deformace
plechů při hlubokém tažení“. Užitný vzor, registrační číslo 22188
Nástroj pro tažení s proměnnou přidržovací silou
19
Nátěrová hmota obsahující plniva pro zlepšení
oděruvzdornosti a pružnosti
prof. Ing. Petr Špatenka, CSc.
V rámci projektu byl proveden výzkum modifikace práškových polymerních materiálů s velikostí
částic v mikrometrických a submikrometrických hodnotách na bázi polyolefinu využitím nízkotlakého
plazmového zařízení (obr. 1).
Principem technologie povrchového zpracování prášků je
vystavení práškového materiálu toku radikálů z plazmy, kdy
je aktivován povrch polyolefinových prášků. Během procesu
dochází k navázání funkčních hydroxylových, karboxylových
nebo aminových funkčních skupin na řetězec polymeru. Tím
se zvýší smáčivost modifikovaného materiálu a také přilnavost
částic prášku. Současně se zpevní mikrostruktura (vlivem
zesíťování během procesu) a povrch materiálu se zpevní. Tím
se zvyšuje účinnost plniva proti abrazivnímu porušení. Dokonalým mícháním během procesu je zajištěna homogenní
modifikace každé částice prášku.
Modifikovaný práškový materiál lze využít jako plnivo
do práškových nebo vodou ředitelných barev. To je podstatou podaného a schváleného užitného vzoru č. PUV
2010-23413 „Nátěrová hmota obsahující plniva pro zlepšení
oděruvzdornosti a pružnosti“ a patentové přihlášky PUV
2010-795 „Nátěrová hmota obsahující plniva pro zlepšení
oděruvzdornosti a pružnosti“.
Podstatou vynálezu je vytvoření nátěrové hmoty v kapalném
nebo práškovém stavu, obsahující plnivo na bázi polyolefinu
pro zlepšení oděruvzdornosti a pružnosti. Polyolefin, tvořící
plnivo je v nátěrové hmotě ve stavu modifikovaném ošetřením
neizotermickou plazmou a je v nátěrové hmotě obsažen
v množství od 5% objemových do 70% objemových. Ve výhodném provedení je nátěrová hmota kapalná nebo viskózní. Nemodifikovaný materiál lze použít jako plnivo také, ale velmi
špatně se disperguje v nátěrové hmotě a rychle se separuje.
V čisté vodě dochází k separaci ihned po zamíchání. Plazmou modifikovaný polyolefin se do nátěrové hmoty snadno
přimíchává a rovnoměrně v ní disperguje. Částice práškového
nebo granulovaného polyolefinu mají na atomech uhlíku
v povrchové vrstvě navázánu alespoň jednu polární funkční
skupinu, která zvyšuje reaktivitu modifikovaného polyolefinu
s vodou. Polyolefin se tak stává hydrofilní a lépe difunduje
ve vodě a rozpustných nátěrových hmotách. Tím se prodlužuje
doba separace a tím i použitelnost barvy s plazmově upraveným
polyolefinem. Zároveň dochází ke zlepšení otěruvzdornosti,
pružnosti, přilnavosti a doby životnosti nátěrové hmoty.
20
obr. 1 Nízkotlaké plazmové zařízení.
www.tul.cz
a
b
obr. 2 Testy abraze:
a) samotná vodou ředitelná barva po 30 000 cyklech s použitím umělého prstu, b) vodou ředitelná barva s 20 V% modifikovaného polyetylénu po 135 000 cyklech.
a
b
obr. 3 Testy práškového materiálu na rotačním abrazimetru a) barva bez plniva – 120 cyklů, b) barva s plnivem – modifikovaný práškový polyolefin – 450 cyklů.
Modifikovaný práškový polyolefin lze využít i jako plnivo
do práškových barev. Částice práškového nebo granulovaného polyolefinu mají rovněž na atomech uhlíku v povrchové
vrstvě navázánu alespoň jednu polární funkční skupinu, čímž
se zvyšuje i adheze práškové barvy s plnivem ke kovovým
substrátům. Dále je výhodné, že polymer práškového nebo
granulovaného polyolefinu je alespoň v povrchové vrstvě
zesíťovaný, takže je tvrdší a je sám o sobě otěruvzdorný, čímž
výrazně zvýší oděruvzdornost barev, do kterých je přimíchán.
Takto upravený polymer dokáže svými vlastnostmi nahradit
polyethylen (UHMWPE), který je velmi drahý.
Nátěrová hmota obsahující plniva pro zlepšení oděruvzdornosti a pružnosti
21
Monitorizace procesu obrábění analýzou
signálu akustické emise při broušení
doc. Ing. Jan Jersák, CSc.
prof. Ing. Jan Žižka, CSc.
Kontrolní systémy, které rychle a spolehlivě monitorují stav procesu obrábění a s minimální časovou
prodlevou podávají řídicímu systému stroje informaci o stavu obrobku, nástroje nebo stroje jsou
důležitým prvkem bezobslužných automatických pracovišť.
Na katedře obrábění a montáže Technické univerzity v Liberci byl na rovinné brusce BPH 320A pro monitorizaci stavu břitu
brousicího nástroje a sledování míry jeho opotřebení použit
systém, který vyhodnocuje signál akustické emise (AE). Správně
určit okamžik, kdy brousicí nástroj dosáhne takové míry
opotřebení, že je třeba jej orovnat, je poměrně obtížné, protože
projevy opotřebení brousicího kotouče mohou být různé.
Z tohoto důvodu byly v laboratoři obrábění provedeny experimenty dlouhodobého rovinného broušení obvodem kotouče,
jejichž cílem bylo v průběhu obrábění posoudit, zda se projeví
hladinách záznamu amplitud. Bylo zjištěno, že jejich charakter závisí na velikosti pracovního radiálního záběru, tedy lze
dobře sledovat průběh vyjiskřovacího procesu. Zejména však
byla při zkoumání vlivu opotřebení brousicího kotouče na chování signálu AE zjištěna souvislost mezi charakterem záznamu
signálu AE a opotřebením brousicího nástroje.
Speciální metodou vyhodnocování signálu AE, který vzniká
při procesu broušení, se podařilo u brousicího nástroje rozlišit
jeho stav z hlediska opotřebení. Pro sledování stavu řezného
obr. 1 Zkušební vzorek s detailem snímače AE a analyzátor AE 10 L.
vliv opotřebení nástroje na chování signálu AE. Snahou bylo
využít výhod, které skýtá vyhodnocování vysokofrekvenčního
signálu AE, především toho, že jeho vznik přímo souvisí se
vznikem třísky, toho, že se velmi dobře šíří obráběnou součástí,
a proto lze umístit příslušné snímače na vhodných plochách
obrobku, které nemusí být v bezprostřední blízkosti místa
obrábění, a také toho, že signál AE lze monitorovat kontinuálně,
v průběhu obráběcího procesu. Pro měření emisních událostí
AE v průběhu rovinného broušení obvodem kotouče byl
vytvořen nový měřicí systém.
Velmi zajímavé výsledky byly přitom zjištěny při hodnocení histogramů překmitů AE registrovaných v jednotlivých
22
nástroje byla použita amplitudová analýza signálu akustické
emise. Bylo navrženo a odzkoušeno unikátní zařízení k vyhodnocování akustických emisí vznikajících při procesu obrábění
v důsledku odběru třísky opracovávaného materiálu řezným
nástrojem.
Na obr. 2 je znázorněn charakteristický trend rozdělení
četností amplitud překmitů registrovaného signálu AE
při broušení orovnaným brousicím kotoučem. Pokud se
během obrábění brousicí kotouč opotřebí a póry mezi zrny
brusiva se zanesou, změní se charakter rozdělení četností
amplitud překmitů registrovaného signálu AE, jak je patrné
z obr. 3.
www.tul.cz
obr. 2 Charakteristický trend počtu (četnosti) překmitů akustické emise v jednotlivých energetických hladinách
v závislosti na zdvihu pracovního stolu při broušení orovnaným brousicím kotoučem.
obr. 3 Charakteristické chování počtu (četnosti) překmitů akustické emise v jednotlivých energetických hladinách
při broušení kriticky opotřebeným brousicím kotoučem.
Na základě získaných poznatků o postupu a metodě vyhodnocení signálů AE při procesu broušení, vč. speciálního vyhodno-
covacího zařízení byla zpracována přihláška vynálezu s názvem
„Způsob vyhodnocení akustických emisí při procesu obrábění“.
Monitorizace procesu obrábění analýzou signálu akustické emise při broušení
23
Parametrizace technologie
extruze parizonu z hlediska viskoelastických
vlastností taveniny polymeru
prof. Dr. Ing. Petr Lenfeld
Podstatou technologie extruzního vyfukování je vytlačování polotovaru – parizonu – ve tvaru
uzavřeného tělesa. Tato kontinuálně vytlačovaná trubka je následně vyfukována přetlakem vzduchu v chlazené formě do konečného výrobku. Parizon vzniká průtokem taveniny plastu štěrbinou
vytlačovací hlavy a tento průtok taveniny je ovlivňován viskoelastickými jevynenewtonovských kapalin (tavenina plastů), které mají vliv na narůstání tloušťky stěny parizonu, na narůstání průměru parizonu a na prodlužování parizonu (viz obr. 1).
24
obr. 1 Detail změny tvaru a rozměru parizonu během procesu extruze
(měřící systém Aramis).
obr. 2 Princip experimentálního měření narůstání parizonu
u technologie extruzního vytlačování.
Parametry ovlivňující viskoelastické procesy při vytlačování
lze rozdělit do dvou základních skupin. První skupinou je stavba polymeru (distribuce molekulové hmotnosti, molekulová
hmotnost a délka molekulového řetězce). Druhou skupinou
jsou technologické parametry procesu vyfukování – teplota
taveniny, smyková rychlost, geometrie vytlačovací hubice
a trnu, doba vytlačování parizonu. Cílem výzkumu pro zajištění
kvality výrobků u technologie extruze byl vývoj jednoduchého,
ale účinného řízení procesu pomocí regulace tloušťky stěny
parizonu v závislosti na vstupních parametrech materiálu (index toku taveniny) a na parametrech procesu extruze. Podstatou výzkumu byla monitorizace (viz obr. 2) a parametrizace
technologie extruze z hlediska efektivity procesu se zaměřením
na vlivy ovlivňující jeho stabilitu.
Z hlediska narůstání rozměru a protahování parizonu za hubicí byly sledovány dva základní vlivy, a to smyková rychlost
taveniny a časové hledisko, jelikož změna rozměrů je časově
závislá (viz obr. 3). Smyková rychlost byla regulována otáčkami
šneku vytlačovacího stroje a bylo zjištěno, že narůstání
průměru parizonu roste spolu s nárůstem smykové rychlosti,
tedy otáčkami šneku. Na druhé straně je nutné zmínit, že tvar
(zejména délka) tokového kanálu (hubice) má výrazný vliv
na změnu průměru a tloušťky parizonu, což je spojeno s tlakovými procesy ve vytlačovací hlavě a s procesem relaxace taveniny (viz obr. 4).
www.tul.cz
obr. 3 Rozměr parizonu v závislosti na jeho délce
(časové hledisko) a otáčkách šneku.
obr. 4 Rozměr parizonu v závislosti na velikosti štěrbiny
pro různé otáčky šneku.
obr. 5 Graf porovnání reálného profilu parizonu s profilem vytvořeným pomocí logaritmického modelu pro materiál PE.
Na základě získaných výsledků u technologie extruzního
vytlačování (viz obr. 5) byla vyvinuta „technologie predikce
tloušťky polotovaru pro extruzní vyfukování“ a následně došlo
k začlenění této technologie do software pro inovované stroje
řady GM. Vývoj, vyzkoušení a zavedení technologie predikce
tloušťky polotovaru bylo ověřováno na zařízení GM 251, které
je součástí strojního vybavení laboratoří zpracování plastů
katedry strojírenské technologie.
Parametrizace technologie extruze parizonu z hlediska viskoelastických vlastností taveniny polymeru
25
Měření plynotvornosti slévárenských směsí
při tepelné zátěži
Ing. Jiří Machuta, Ph.D.
prof. Ing. Iva Nová, CSc.
Při výrobě složitých konstrukčních dílů odléváním do pískových forem probíhá škodlivý děj, který
způsobuje uvolňování plynů z pískové formy do budoucího odlitku a tím se zhoršuje jeho kvalita. Tento
děj je potřeba v praxi eliminovat a tudíž sledovat a zjistit jeho závislosti. Plynotvornost je schopnost
formovacích (jádrových) materiálů uvolňovat při ohřevu plyny a páry. Jsou to nežádoucí děje popisující dílčí chování těchto disperzních materiálů při vysokých teplotách krátce po zalití slévárenské formy,
a tudíž by měla hodnota plynotvornosti vykazovat co nejnižší hodnoty.
Plynotvornost vyjadřujeme v cm3 na 1 g směsi, případně na
cm3 směsi. Množství uvolňujících se plynů v pískové formě je
dáno druhem pojiva a jeho podílu ve směsi, sklonem k navlhavosti směsi (způsobem sušení), zrnitostí ostřiva (prodyšností
jader) a obsahem různých přísad určených k vyvolání vytvrzovacích reakcí, či k cíleným technologickým požadavkům na
samotná jádra. Škodlivý vliv těchto plynných produktů závisí na
jejich množství, na prudkosti jejich vývinu a na jejich složení.
Kromě množství uvolněných plynů je důležitá i kinetika jejich
vývoje, ale i časový okamžik uvolnění v procesu tuhnutí kovu.
Ze složek formovací směsi vykazuje značnou plynotvornost
voda a další kapalná rozpouštědla, některé minerály, pojiva,
organické přísady a další látky.
Pro experimentální ověření je třeba nákladné zařízení, proto
bylo pro měření plynotvornosti slévárenských směsí vyvinuto
a zkonstruováno odpovídající laboratorní zařízení, chráněné
užitným vzorem. Podstatou měření na tomto zařízení je snímání
tlaku uvolňujících se plynů spalováním vzorku směsi v elektrické peci. Experiment vychází z metodiky měření plynotvornosti na přístroji PGD (švýcarská firma +GF+). Vzorek navážky
zkoušené směsi je ohříván sálavým teplem v uzavřeném
prostoru pece, který je spojen pouze s měřicí soustavou.
Na měřicím zařízení je sledován tlak uvolňujících se plynů
v daném časovém okamžiku.
Princip zařízení pro měření plynotvornosti slévárenských
formovacích a jádrových směsí je patrný z obr. 1, z kterého
je zřejmé, že využívá snímání tlaku uvolňujících se plynů při
zahřívání směsí.
26
1 - těleso odporové trubkové pece;
2 - keramická trubice s vyhřívacími odporovými elementy;
3 - vodou chlazená uzavírací hlavice;
4 - zatavená křemenná trubice s lodičkou z molybdenového plechu;
5 - kónický uzávěr vyhřívacího prostoru;
6 - regulátor ohřevu pece
7 - teplotní čidlo pece;
8 - stabilizační válcová nádoba;
9 - tlakové čidlo;
10 - sběrnice s A/D převodníkem;
11 - počítač s monitorem;
12 - plechový plášť pece
obr. 1 Blokové schéma zařízení pro měření plynotvornosti slévárenských směsí.
www.tul.cz
Cílem výzkumu měření plynotvornosti slévárenských směsí
je vytvoření uceleného přehledu důležitých vlastností slévárenských formovacích a jádrových materiálů se zaměřením
na měření uvolněných plynů při tepelném namáhání. Dále
shrnutí dosavadních poznatků o vývoji pojivových systémů
pro výrobu forem a jader umožňuje charakterizovat důsledky
tepelného ovlivnění forem a jader z pískových formovacích
směsí, aplikovat fyzikálně-chemické výpočty pro reakce, které
probíhají během tepelného namáhání forem a jader a v neposlední řadě dovoluje porovnat získané výsledky s teoretickými
předpoklady a výpočty.
obr. 2 Znázornění množství uvolněných plynů pro sérii měření vybraných slévárenských směsí při 1000°C tepelné zátěže.
obr. 3 Grafická závislost množství uvolněných plynů v čase při tepelné zátěži 1000°C.
Analýza provedená pomocí tohoto zařízení a předem
připravených technologických postupů přispívá k uvědomě-
lému výběru konkrétního typu formovací či jádrové směsi při
výrobě slévárenských odlitků z druhých druhů slitin.
Měření plynotvornosti slévárenských směsí při tepelné zátěži
27
Analýza výskytu kritických míst
u svarků z aluminidu typu Fe3Al
Ing. Jaromír Moravec, Ph.D.
doc. Ing. Heinz Neumann, CSc.
Analýza dílčích dějů svařovacího procesu se provádí matematicky v simulačním programu SYSWELD
a verifikuje experimentálně. Teplotně-metalurgická a mechanická analýza realizovaná programem
SYSWELD poskytuje velmi mnoho zajímavých a užitečných dat, ale neřeší místa s nebezpečím vzniku trhlin. Kritická jsou místa v materiálu či svaru, kde prostorová napjatost dosáhla nebo překročila
hodnoty skutečné meze pevnosti materiálu pro danou teplotu. V rámci řešení výzkumného záměru
byl vypracován program MOVYPRO, který umožňuje detekci kritických míst srovnávací analýzou.
Každému uzlovému bodu je v každém výpočtovém čase přiřazena pro příslušnou teplotu hodnota kritické napjatosti odpovídající hodnotě skutečné mezi pevnosti materiálu pro danou teplotu. Nakonec
se provádí srovnání hodnot kritického napětí s obecným napětím podle teorie HMH spočítaném v programu SYSWELD.
Pro srovnávací analýzu je nutno realizovat následující
posloupnost dílčích kroků:
• Na základě teplotně-metalurgické analýzy přiřadit každému
uzlovému bodu modelu pro každý výpočtový čas číselnou
hodnotu teploty.
• Matematicky popsat teplotní závislost meze pevnosti
příslušného materiálu.
• Na základě matematického popisu průběhu funkce teplotní
závislosti meze pevnosti a na základě znalosti hodnoty
teploty v uzlovém bodě, přiřadit každému uzlovému bodu
modelu hodnotu tzv. kritické napjatosti, tedy hodnotu, při
jejímž překročení dojde k porušení celistvosti.
• Všem uzlovým bodům modelu přiřadit hodnoty prostorové
napjatosti spočítané při mechanické analýze.
• Provést porovnání hodnot přiřazené kritické napjatosti
a spočítané prostorové napjatosti a vyhodnotit body, ve
kterých je hodnota spočítané napjatosti vyšší než hodnota
kritické napjatosti.
• Vyhodnotit výpočtové časy, ve kterých došlo u nějakého
uzlového bodu k překročení kritické hodnoty napjatosti
a zjistit počet těchto bodů. Výsledkem je tabelární
zpracování dat.
obr. 1 Provedení modelu v oblasti svaru a výpočtem stanovený obrys svarové lázně.
28
Jako příklad provedených analýz budou uvedeny dílčí
výsledky pro tupý svar dvou desek o rozměrech 180x60x5 mm.
Svar byl zhotoven bez přídavného materiálu metodou 141
v ochranné atmosféře Ar 4,8 od firmy Air Products. Kořen byl na
tavidlové podložce – tavidlo OK FLUX 10.47 (SF AB 1 65 AC H5).
Svařované desky byly upnuté ve čtyřech místech a při svařování
byly umístěny na vyhřívané desce. Teplota předehřevu byla
stanovena na 200 °C. Svařovalo se mechanizovaným způsobem,
stejnosměrným proudem s přímou polaritou (U = 13,9 V, I = 114
A, v = 0,375 mm s-1). Po svařování byly svařené desky umístěné
do pece vyhřáté na teplotu 700 °C. Po výdrži 2 hodiny byla pec
vypnuta a chladnutí probíhalo ve vypnuté peci.
Při výpočtech byl používán tzv. dvouelipsoidní zdroj tepla.
Pohled na výpočtový model v oblasti svarové lázně je na obr.
1. Celkový čas svařování je 480 s. Při simulačním výpočtu je do
času 500 s uvažováno umístění desky na podložce o teplotě
200 °C, potom se uvažuje volné chladnutí na vzduchu.
www.tul.cz
Na obr. 2 je výsledek analýzy pro uzlový bod v teplem ovlivněné
oblasti, kde maximální teplota ve fázi ohřevu dosáhla 1125 °C.
Z obrázku je zřejmé, že k překročení kritického napětí dochází ve
fázi ohřevu při 1054 °C a končí ve fázi ochlazování při 984 °C.
obr. 2 Analýza napjatosti v průběhu svařovacího procesu pro uzlový bod v teplem ovlivněném pásmu.
Na dalším obr. 3 je výsledek analýzy pro uzlový bod, který leží
již 16 mm od hranice ztavení v polovině délky svaru. Z obrázku
je zřejmé, že maximální teplota dosažená v průběhu svařovacího
procesu byla přibližně 525 °C a vypočítané napětí je během
procesu svařování i ochlazování podstatně nižší než kritické.
Z hlediska možného vzniku trhlin se jeví tato oblast již bezpečná.
obr. 3 Analýza napjatosti v průběhu svařovacího procesu pro uzlový bod v teplem ovlivněném pásmu.
Analýza výskytu kritických míst programem MOVYPRO je
významným přínosem pro aplikaci výpočtového programu
SYSWELD u materiálů s výraznou náchylností k tvorbě trhlin
a obtížně svařitelných materiálů. Na základě simulačních výpočtů
a stanovení kritických míst je možná hlubší analýza svařovacího
procesu z hlediska napjatosti ve svařovaných detailech. Lze
tak ověřovat vliv a účelnost změn technologických parametrů
během svařovaní na stav vnitřní napjatosti ve svařovaných dílech
a na nebezpečí vzniku trhlin. Nepříjemností takové analýzy je
značná časová náročnost.
Analýza výskytu kritických míst u svarků z aluminidu typu Fe3Al
29
Vibroizolační
prvky a systémy
• Analýza cyklických hlukových a vibračních signálů
a kavitačního šumu;
• Modelová a experimentální identifikace materiálových
a silových charakteristik pružících prvků;
• Modelování mechanických vlastností polyuretanové pěny;
• Analýza a simulace zatěžování sedáku a hlavové opěrky
automobilové sedačky;
• Výzkum hydraulického a magnetoreologického tlumiče;
3.
• Výzkum účinků vibrací v obecném směru na lidský organismus;
• Výzkum aktivního řízení odpružení sedačky řidiče
a platformy sanitního lehátka.
30
Vibroizolační prvky a systémy
www.tul.cz
Analýza cyklických hlukových
a vibračních signálů a kavitačního šumu
prof. Ing. Karel Vokurka, DrSc.
Tradiční přístup používaný při analýze cyklických vibrací a hluků je založen na předpokladu jejich stacionárnosti, což umožňuje získávat statistické charakteristiky (např. autospektrální hustoty) spojitým
průměrováním v čase. Spojitým průměrováním v čase se ovšem ztratí časová závislost a získané charakteristiky popisují vibrace pouze ve frekvenční oblasti, tj. nezávisí na čase. I když tento přístup poskytuje
v celé řadě aplikací uspokojivé výsledky, někdy může být výhodnější znát časově-frekvenční statistické
charakteristiky cyklických vibrací a hluků. Ty totiž umožňují sledovat spektrální složení vibrací a hluku
v průběhu pracovního cyklu a tudíž i umožňují přiřadit určitým dějům nastávajícím během pracovního
cyklu odpovídající spektrální složky. Při námi používaném přístupu k měřeným signálům se spojité
průměrování v čase nahrazuje periodickým průměrováním.
V rámci výzkumného záměru byly vyvinuty algoritmy pro výpočet dvojnásobných autokorelacích funkcí, dvojnásobných autospektrálních hustot a reálných
a komplexních okamžitých autospekter
cyklických hluků a vibrací. Komplexní
okamžité autospektrum představuje
jednu z možných časově-frekvenčních
charakteristik cyklostacionárních signálů
a ukazuje se, že to je velice užitečný nástroj
pro analýzu cyklických signálů. Jako konkrétní příklad na použití popisované metody lze uvést výsledky získané během
zkoušek převodovky osobního automobilu. Měřená převodovka měla tři hřídele
(vstupní, hlavní a výstupní). Pro analýzu
byl použit signál ze snímače zrychlení
vibrací (akcelerometru). Signál byl zaznamenán při otáčkách vstupního hřídele
3000 min-1, zatížení 20 Nm a zařazeném
třetím převodovém stupni. Signál z akcelerometru byl zaznamenán pomocí analyzátoru signálů. Vzorkovací frekvence
byla nastavena na 32 768 Hz, délka za-
znamenávaného signálu byla 2 s (což
odpovídá 65 536 vzorkům). Současně se
záznamem vibrací byly rovněž nahrávány
tachopulsy odvozené od vstupního
hřídele. Příklad vypočteného okamžitého
autospektra vibrací převodovky je uveden
na obr. 1. Na obr. 2 je ukázána frekvenční
závislost (řez) absolutní hodnoty komplexního
okamžitého
autospektra
zrychlení vibrací převodovky v čase t2≈10
ms a v blízkosti první zubové frekvence.
práci s katedrou fyziky FEL ČVUT v Praze,
využívající tzv. jednobublinkovou kavitaci. Modelová bublinka se vytvářela při
elektrických výbojích pod vodou, byla
uskutečněna spolupráce s význačným
zahraničním pracovištěm (Akustickým
ústavem CNR v Římě), které má k dispozici vhodnou experimentální aparaturu.
Na obr. 3 jsou vybrané snímky z filmového
záznamu modelové kavitační bublinky
generované elektrickým výbojem ve
vodě.
Chod celé řady cyklicky pracujících hydraulických strojů (např. čerpadel a turbin) je doprovázen nežádoucí kavitací, což
je složitý, dynamický, nelineární fyzikální
proces, který přes obrovské úsilí v mnoha
špičkových zahraničních laboratořích
není stále dostatečně prozkoumán. Pro
správnou interpretaci námi naměřených
údajů se ukázalo nezbytně nutné zařadit
do výzkumu i studium volných kmitů
osamocené modelové kavitační bublinky.
Bylo vybudováno pracoviště, ve spoluobr. 1 Absolutní hodnota komplexního
okamžitého autospektra
zrychlení vibrací převodovky.
obr. 3 Vybrané snímky z filmového záznamu modelové kavitační bublinky generované elektrickým výbojem ve vodě.
obr. 2 Řez autospektrem
ukazující průběh frekvenčního spektra.
Analýza cyklických hlukových a vibračních signálů a kavitačního šumu
31
Modelová a experimentální identifikace
materiálových a silových charakteristik
pružících prvků
prof. Ing. Bohdana Marvalová, CSc., doc. Ing. Iva Petriková, Ph.D.,
doc. Ing. Ludvík Prášil, CSc., doc. Ing. Dalibor Frydrych, Ph.D.
Výzkum byl zaměřen na stanovení materiálových parametrů pryžových kompozitů vyztužených textilními kordy při víceosém namáhání, z nichž jsou vyráběny pláště vzduchových pružin (obr. 1). Aby byly
experimentální podmínky co nejvíce podobné skutečným podmínkám při provozu vzduchových pružin,
je třeba vyvolat v experimentálních vzorcích rovinnou napjatost. Proto byl navržen, vyroben a odzkoušen
modifikovaný speciální biaxiální upínací přípravek Arcan, který umožňuje vyvolat rovinnou napjatost
v kompozitním vzorku při jednoosém zatížení na zkušebním stroji (obr. 2). Ve spolupráci s firmou Rubena v Náchodě byly vyrobeny rovinné kompozitní desky, které jsou vyztuženy dvěma vrstvami tvořenými
viskozovými nebo polyamidovými kordy, které jsou vůči sobě natočeny pod různými úhly. Byla vypracována metodika experimentu pro určení elastických a viskoelastických vlastností těchto kompozitů při
víceosé napjatosti a byla provedena měření. Zároveň byly navrženy modely těchto materiálů, konstitutivní vztahy byly implementovány do prostředí Comsol-Multiphysics a provedeny ověřovací výpočty pro
vzduchovou vakovou pružinu (obr. 3).
Souběžně probíhal i výzkum frikčních
vlastností pryže a jejího opotřebení
třením. Byla provedena měření třecího
koeficientu pryže v závislosti na rychlosti
a přítlačné síle. Současně s frikčními
experimenty probíhala i dynamická
mechanická analýza těchto materiálů,
byly stanoveny dynamické moduly
a zkoumána závislost mezi ztrátovým
modulem a koeficientem tření. Bylo
navrženo a realizováno vlastní experimentální zařízení pro měření tření elasto merických materiálů (obr. 4).
Pro
vývoj
magnetoreologických
kompozitů bylo navrženo experimentální zařízení na bázi elektromagnetu
k řízení kompozitů magnetickým polem.
Byla měřena permeabilita, magnetizace a magnetostrikce na vyrobených
vzorcích, navrženy modely magnetomechanické vazby, implementovány
do prostředí Comsol-Multiphysics a provedeny ověřovací výpočty napětí a deformace vzorků při současném zatížení
mechanickým a magnetickým polem
(obr. 5).
32
K nejvýznamnějším výsledkům patří
vypracování metodiky měření a její
ověření při zjišťování řady materiálových
parametrů pryže a pryžových kompozitů.
Konstitutivní vztahy těchto materiálů
byly implementovány do prostředí Comsol-Multiphysics a provedeny numerické
simulace experimentů pomoci MKP.
V dílčí úloze Vývoj modelů vlnovcových
vzduchových
pružin
lze
považovat za nejvýznamnější výsledek
experimentálně ověřený matematický
model geometrických, statických tlakových a silových charakteristik vlnovcových pneumatických pružin a jeho
implementace moderními programátorskými technikami. Model poskytuje
dostatečně přesné výsledky a je významnou podporou při návrhu systémů se
vzduchovými vlnovcovými pružinami.
O výsledky tohoto výzkumu projevuje
zájem výrobce vzduchových pružin
Rubena Náchod a.s..
obr. 1 Zatěžovací zařízení a optický systém
s digitálními kamerami.
obr. 2 Upravený Arcan upínací přípravek
zkušebního vzorku a kamera DANTEC Q400
www.tul.cz
obr. 3 Částečný model válcové vzduchové pružiny v zatíženém stavu.
obr. 4 Zařízení pro měření tření elastomerických materiálů.
obr. 5 Norma hustoty magnetické indukce deformovaného bloku.
Modelová a experimentální identifikace materiálových a silových charakteristik pružících prvků
33
Modelování mechanických vlastností
polyuretanové pěny
Ing. David Cirkl, Ph.D.
Pro komfort pasažérů jsou určující vlastnosti sedačky, zejména jejich čalounění, které je takřka
výhradně vyráběno z polyuretanové (PU) pěny, materiálu, který je od doby svého uvedení na trh
neustále vyvíjen a jeho vlastnosti jsou zlepšovány. Současně se rozvíjejí experimentální a numerické
metody, které umožňují navrhovat virtuální prototypy, které zrychlují a zefektivňují vývojový cyklus,
k tomu je nezbytný popis reálných vlastností polyuretanu a jeho fyzikální projevy matematicky popsat
a implementovat do počítačové simulace. V oblasti PU pěny byly použity následující přístupy.
Fenomenologický model je vytvořen na základě pozorování a umožňuje odhalit fyzikální podstatu chování materiálu a těmto vlastnostem přiřadit vhodné elementární modely a vztahy. PU pěna je viskoelastický materiál a její model
je reprezentován soustavou prvků s nelineární charakteristikou,
tj. pružin, viskózních a třecích tlumičů. Ke zjištění parametrů
modelu bylo realizováno velké množství experimentů, z nichž
je zřejmé, že na nelineární pružení se váže tlumení, které je
dáno jednak ztrátou energie při deformaci základní pórovité
struktury a také může být způsobeno ztrátami při proudění
vzduchu póry, kterými je při deformaci vytlačován a při
odlehčení nasáván zpět do porézní matrice. K odhalení poměru
zastoupení těchto dvou příčin bylo provedeno měření ve vakuu,
kde k druhému z jevů nemůže docházet. Porovnání s výsledky
provedenými v atmosféře ukazuje, že ztráta energie způsobená
prouděním vzduchu póry je vzhledem k tlumení materiálové
matrice zanedbatelná a tento závěr platí i pro vzorek PU pěny
vyříznutý ze sedáku.
34
V této oblasti bylo dosaženo velmi dobrých výsledků v oblasti
simulace tlumení. To bylo vyšetřováno nejen v závislosti na parametrech vibrací, ale i na hustotě materiálu a jeho teplotě. Je
zajímavé, že pěna, která je v závislosti deformace-síla velmi
nelineárním materiálem, vykazuje lineární chování závislosti
množství disipované energie na frekvenci vibrací.
Matematický model je rozvinutím předchozího přístupu,
kdy je snahou nalézt takové matematické vztahy, které chování
materiálu nejlépe vystihují bez přímého ohledu na jeho příčiny.
Umělé neuronové sítě jsou dalším prostředkem k modelování vlastností PU pěny, jde o softwarový nástroj založený
na napodobení schopnosti mozku se učit a předvídat. Cílem
je určení vazby mezi vstupem (úroveň vibrací) a výstupem
(chování pěny), přičemž samotný systém, který tuto vazbu
zajišťuje, je zde považován za černou skříňku. Tento přístup
tedy nevyžaduje fenomenologický pohled, řešitel musí
ovládat metodu, tedy práci s umělou neuronovou sítí. Je
pozoruhodné, že sítě i s poměrně malým počtem neuronů
poskytují slibné výsledky. Potvrzuje se, že silová odezva PU
pěny je dána zejména velikostí a rychlostí deformace, nikoli
zrychlením deformace. Zakomponování zrychlení do učících
vzorů nezlepšovalo výsledky výstupů. Dosažené výsledky
v této úloze byly využívány zejména při optimalizaci automobilových sedaček.
obr. 1 Struktura polyuretanové pěny.
obr. 2 Průměrná relativní chyba naučení umělé neuronové sítě.
Modelování mechanických vlastností polyuretanové pěny
www.tul.cz
Analýza a simulace zatěžování sedáku
a hlavové opěrky automobilové sedačky
Ing. Jan Petřík, Ph.D., Ing. Rudolf Martonka, Ph.D.,
doc. Ing. Vítězslav Fliegel, CSc., Ing. Michal Petrů, doc. Ing. Ludvík Prášil, CSc.
V rámci dílčí úlohy byly experimentálně zjištěny nelineární charakteristiky polyuretanové pěny a potahové látky, vytvořen MKP model sedáku automobilové sedačky bez potahu a s potahem, sestaven
zjednodušený biomechanický MKP model sedícího lidského těla, provedena analýza rozložení tlaku
v kontaktní zóně a její optimalizace virtuální simulací. Pro simulaci zatěžování sedačky s potahovou
látkou byl použit výsledný rovnovážný stav ze simulace předpětí potahové látky. Cílem bylo provedení
analýzy rozložení kontaktního tlaku pro sedák s potahem a bez potahu.
Na sedačce bez potahu je zřejmé lepší
rozložení tlaku s menší maximální hodnotou kontaktního tlaku. Na sedačce
s potahem dochází k rozložení tlaku na
menší ploše a vznikají oblasti s vysokými
kontaktními tlaky. Je zřejmé, že potahová látka výrazně ovlivňuje vlastnosti
automobilového sedáku a při analýze
komfortu nelze tuto vlastnost zanedbat.
obr. 1 Rozložení kontaktního tlaku pro sedák bez potahu a s potahem.
Při zachování tvaru sedáku byla jeho
původní tvrdší vrstva pěny rozšířena
o vrstvu měkčí pěny v kontaktní zóně.
Touto sendvičovou komfortní vrstvou
bylo dosaženo lepšího rozložení kontaktní tlaku do větší plochy a byly
sníženy špičky tlaku pod pánví.
Výsledky simulací pomohou s optimalizací prototypu sedačky i ve smyslu
dodržení žádaného tvaru. Potahová
látka je na sedačce předepnuta a její
předpětí ovlivňuje výsledný tvar sedáku
i opěráku. Model lze použít pro simulaci
dynamického zatěžování a je vhodný
pro hledání synergie mezi statickým
a dynamickým kritériem komfortu.
Pro zjišťování dat pro simulace byly
stanoveny metodiky měření a realizovány zařízení:
• dvouosý zatěžovací rám pro měření
vlastností textilie potahu při dvouosé
napjatosti,
• prototyp
sedáku
automobilové
sedačky se stejnými vibroisolačními
vlastnostmi při snížené výplni poly uretanové pěny a zachování původní
výšky sedáku,
• zařízení k měření prodyšnosti vícevrstvých materiálů a kompletních
sedaček.
Na měřícím zařízení (viz obr.) byly
zjišťovány statické a dynamické vlastnosti samotných polyuretanových výplní a celých automobilových sedaček
s potahem.
Simulace dynamického namáhání
vzorků z polyuretanové pěny byla provedena MKP pomocí Kelvinova reologického
modelu. Materiálový model byl verifikován
pomocí analýzy přenosových charakteristik vzorku polyuretanové pěny. Při výpočtu
byl použit stacionární pseudonáhodný
signál obsahující frekvence mezi 1 až 15 Hz
a maximálním zrychlením 0,2g.
obr. 2 Rozložení kontaktního tlaku
pro sedačku s potahem - sendvič
obr. 3 Konečný stav simulace – sendvič.
Analýza a simulace zatěžování sedáku a hlavové opěrky automobilové sedačky
35
Byla použita stejná metodika určení
disipace energie a byly zachovány stejné počáteční i okrajové podmínky jako
při reálném experimentu. Simulace
vykazuje větší míru disipace energie
z důvodu menší přenosové charakteristiky v nad-rezonanční oblasti. Virtuální
experiment prokázal korelaci mezi simulací a reálným experimentem a potvrdil
možnost predikovat míru disipace
energie pomocí MKP modelu. Pro určení
disipace s lidskou zátěží na sedačce byla
zjišťována energetická bilance v kontaktní zóně člověka a sedačky. Stávající
zařízení XSensor PRO k měření rozložení
tlaku bylo rozšířeno o specifický senzor
se vzorkovací frekvencí až 100Hz, která
je nutná pro výpočet energetické bilance
v kontaktní zóně.
Vytvořená metodika pro analýzu
absorpce energie přináší důležitou
informaci o míře absorbované energie
v polyuretanové pěně. Tuto mechanickou vlastnost lze považovat za další
parametr pro porovnávání kvality automobilových sedaček.
Dílčí úloha byla v průběhu řešení
rozšířena o výzkum a modelování hlavových opěrek pro predikci poranění hlavy
a krční páteře.
Mnohá poranění krční páteře a hlavy
při nárazu, jsou způsobena nejen nesprávnou polohou a tvarem opěrky hlavy,
ale významně se na tom podílí i struktura a vlastnosti materiálu výplně opěrky.
Nejčastěji používaná polyuretanová pěna
(PUF) při prudkém stlačení zvyšuje tuhost
opěrky. Příčinou je vzduch uvnitř buněčné
struktury PUF, který při rychlé (rázové) deformaci není schopen uniknout ze struktury pěny a tak se stlačené buňky stávají jejím
dalším prvkem. Stlačené buňky naplněné
vzduchem způsobují zvýšení tuhosti
a ztrátu útlumu kinetické energie hlavy.
Hlava se při nárazu zezadu pohybuje se
zrychlením více než 10g, po nárazu hlavy
na opěrku nastává zpětný pohyb hlavy
a hyperextenze krční páteře. Pro snížení
poranění hlavy a krční páteře by bylo
ideální postupné snižování rychlosti hlavy,
což by snížilo energii při nárazu a tím
i stupeň poranění. Pro bezpečnost řidiče
a jeho spolujezdců je významná nejenom
konstrukce opěrky hlavy automobilové
sedačky, její tvar a nastavení do správné
polohy, ale také materiál její výplně.
Výběr a sledování vlastností materiálu
výplně hlavové opěrky, který musí zajistit útlum pohybující se hlavy po nárazu či prudkém zastavení automobilu
v požadovaném deformačním rozsahu
výplně opěrky v daném časovém intervalu, se stal předmětem dalšího výzkumu.
Stupeň poranění hlavy nebo krční páteře
se v praxi hodnotí pomocí normalizované
zkušební procedury EuroNCAP při použití
např. akceleračního signálu Whiplash
IIWPG 16km/h pro náraz na vozidlo zezadu.
Míra poranění hlavy je hodnocena
použitím kriteria poranění hlavy HIC
(Head Injury Criterion). Experimenty
a simulacemi byly testovány alternativní
materiály (NPU) s otevřenou strukturou
vytvořenou s horizontálně uložených
recyklovaných vláken, spojených při
zvýšené teplotě. Otevřená struktura
těchto materiálů umožňuje mnohem
snadnější únik vzduchu z výplně, a tím
se zmenšuje závislost okamžité tuhosti
materiálu výplně na rychlosti deformace.
Dotykový tlak a stlačení u materiálů NPU
při dynamickém nárazu je výrazně menší
než u polyuretanové pěny (PUF).
Výsledky simulačních testů kompletních sedaček s biomechanickou figurínou
vykazují výrazný vliv struktury materiálu
na rozložení energie a tím i různé tlumení při dopadu hlavy na opěrku. Hodnota HIC pro vzorek z materiálu NPU je
až o 20% nižší ve srovnání se vzorkem
z PUF. Významným výsledkem je, že pomocí vytvořených modelů lze predikovat následky, které způsobí zadní náraz
na vozidlo. Lze předpokládat, že jejich
užitím bude možné v první fázi vývoje
sedačky nahradit drahé CRASH testy
ve zkušebně.
O výsledky tohoto výzkumu projevují
zájem výrobci automobilů a automobilových sedaček (Škoda Auto a.s.,C.I.E.B.
Kahovec).
obr. 4 Měřící zařízení pro analýzu statického a dynamického chování sedáku.
obr. 5 Experiment a simulační model, hlavní napětí v PUF (vlevo) a v NPU (vpravo).
36
obr.6 Simulační model sedaček a porovnání průběhu HIC.
Analýza a simulace zatěžování sedáku a hlavové opěrky automobilové sedačky
www.tul.cz
Výzkum hydraulického
a magnetoreologického tlumiče
prof. RNDr. Jan Šklíba, CSc., Ing. Radek Votrubec, Ph.D, doc. Ing. Ludvík Prášil,CSc.,
Ing. Miloš Müller, Ph.D., Ing. Jan Kolaja, Ph.D., Ing. Radek Matějec, Ph.D., Ing. Aleš Lufinka, Ph.D.
Výzkumné práce v této dílčí úloze byly zaměřeny na identifikaci vlastností hydraulických tlumičů
a vymezení podmínek vzniku kavitace za škrtícím elementem hydraulického tlumiče a studium
možností jejího omezení. Experimentálně byly získány závislosti asymptotických hodnot součinitele
průtoku ventilovou štěrbinou na jeho zdvihu, které zatím nejsou ve světové literatuře publikovány.
Sledovány byly oba pístové ventily tlumiče – odlehčovací a zpětný.
Globální charakteristika hydraulického
tlumiče, tj. 3D závislost síly tlumiče na relativní rychlosti a relativním zrychlení pístu
vůči pracovnímu válci byla úspěšně identifikována pro tři výkonově rozdílné tlumiče
(pro sedačku řidiče a pro osobní a užitkový
automobil).
Identifikace globální charakteristiky
představuje novou metodu popisu tlumičů,
tlumících prvků, systémů pružina-tlumič
používaných pro odpružení nápravy u automobilu a jiných pneumatických a hydraulických tlumících systémů. Jedná se
o globální charakteristiku, která vyjadřuje
tlumící sílu jako funkci rychlosti a zrychlení
relativního pohybu pístnice a pracovního
válce, na rozdíl od standardně používané
rychlostní charakteristiky, která obsahuje
hysterezní smyčky závislé na frekvenci pohybu. Metoda byla úspěšně aplikována
na tlumičích různých rozměrů a vlastností
a byla použita na identifikaci tlumícího systému pružina-tlumič použitého jako součást
na čtvrtinovém modelu automobilu.
Pro vymezení podmínek kavitace v hydraulických tlumičích byla aplikována
speciální testovací komora (viz obr.) pro
sledování vzniku a vývoje kavitačních bublin přímo na reálném škrtícím elementu
tlumiče pomocí optických a akustických
metod. Komora představuje unikátní
systém a umožňuje komplexní přístup
k vyšetřování kavitace v hydraulickém
tlumiči. Komora je protékána olejem generovaným pomocí hydraulického válce
na rozdíl od reálného tlumiče, kde je tekutina v klidu a pohybuje se tlumič.
Komora 1 má dva páry průhledů 2, 3 vyrobených z průhledného plexiskla, které
slouží pro instalaci senzorů akustického
bublinkového spektrometru. Tlaky v nízkotlaké a vysokotlaké části jsou měřeny pomocí snímačů 4 a 5. Pro vyrovnání kolísání
tlaků je použita expanzní nádoba. Hadice
7 je použita pro plnění komory olejem. Aby
byl minimalizován parazitní průtok oleje, je
na komoře použit pneumaticky ovládaný
kulový ventil 8 řízený elektroventilem
9. Otevření a zavření ventilu je detekováno
kontaktním snímačem 10. Odvzdušnění
systému je provedeno ventilem 11. Komora je napájena z hydraulického generátoru
12. Ventil 13 je pak určen pro vypouštění.
Experimenty byly rozčleněny na měření
nukleačních jader pomocí zrcadlového
objektivu a ABS, měření aktivit kavitace
pomocí rychlokamery a akustické měření
kolapsů bublinek (hydrofon). Detekce
velikosti a počtu kavitačních jader spolu
s detekcí aktivit bublinek umožňuje celkový popis kavitace v hydraulickém tlumiči.
Variabilita systému umožňuje instalaci
a testování různých provedení hydraulických tlumičů a jejich případnou optimalizaci. O výsledky tohoto výzkumu projevují zájem výrobci hydraulických tlumičů
(Brano-Ateso, a.s.)
braných průbězích byly ukázány závislosti
časových konstant na vstupních veličinách.
Pro obrazový přenos od budicího proudu
platí, že časové konstanty závisí na směru
skoku proudu, nezávisí na směru pohybu pístnice a se zvyšujícím proudem se
zmenšují.
Na základě identifikace byl vytvořen
kompletní model magnetoreologického
tlumiče, určeny závislosti časových konstant na vstupních veličinách tlumiče
a identifikovány dynamické vlastnosti.
Určení časových konstant tlumiče bylo
rozhodující pro jeho aplikaci při aktivním
tlumení horního otočného rámu platformy
sanitního lehátka.
Při výzkumu magnetoreologických
tlumičů byl vytvořen analýzou statických
a dynamických vlastností tlumiče a jeho
identifikací simulační model pro tlumič
firmy Motion Master.
Statické a dynamické vlastnosti tlumiče
byly určeny na základě analýzy měřených
signálů. Pro nelineární dynamickou
soustavu se dvěma vstupy byla zvolena
identifikovaná struktura skládající se ze
statické charakteristiky a dvou obrazových
přenosů popisujících dynamické chování
při změnách rychlosti a budicího proudu.
Pro identifikaci obrazových přenosů
bylo vytvořeno několik aplikací v prostředí
LabView používajících simplexové metody
hledání minima účelové funkce. Analyzováno bylo 504 průběhů síly při přechodovém
ději od změny budicího proudu. Na vy-
obr. 1 Měřicí komora pro vyhodnocovánívzniku
kavitace na hydraulickém tlumiči.
obr. 2 Měření na magnetoreologickém tlumiči.
Výzkum hydraulického a magnetoreologického tlumiče
37
Výzkum účinků vibrací na lidský organismus
v obecném směru
Ing. Jiří Blekta, Ph.D.,
doc. Ing. Josef Mevald, CSc.,
Ing. Aleš Lufinka, Ph.D.
Cílem této dílčí úlohy bylo vytvořit zařízení, schopné realizovat buzení lidského organismu
v obecném směru a následně doporučit návrhy na realizaci optimálních pružících soustav.
Stavba unikátního zařízení, které
je schopné generovat pohyb v obecném směru, byla dokončena v roce
2008. Plošina zařízení pro umístění
zkušebních objektů má šest stupňů volnosti, prostorově pohybuje s předměty
do hmotnosti 250 kg s tím, že v jednom směru dokáže vyvinout rychlost
větší než 1 m.s-1. Hydrodynamické válce
pracují s maximálním zdvihem ±70 mm
a sílou až 25kN. Pro buzení je možné
využít buď kombinaci harmonických
signálů různých průběhů a nebo signál
naměřený v reálném prostředí, např.
na podlaze kabiny pracovního stroje,
který může být následně v labora-
torních podmínkách reprodukován. Tato
možnost představuje pro výpočtáře
velmi důležitou zpětnou vazbu, která
spočívá v okamžité možnosti ověření
správného naladění sedadla.
Na zařízení byla uskutečněna celá řada
zkoušek. Jednou z nich bylo např. ladění
parametrů dynamického absorbéru
kmitů, který byl speciálně vyvinut pro
instalaci na sedadlo operátora důlního
stroje Schrs 1320, (SHD Tušimice).
Měření probíhalo s pasivní i aktivní
zátěží a budící signál odpovídal svým
spektrem nejčastěji se vyskytujícímu
signálu, který se na podlaze důlního
stroje vyskytuje. Pomocí výsledků testování bylo možné rychle a efektivně
stanovit optimální parametry naladění
dynamického absorbéru.
Pro zkoušení prostorového zatížení
lidského těla byly vyvinuty speciální
kombinované snímače síly a zrychlení.
Ty umožňují v daném bodě měřit
energetický přenos vibračních účinků
do těla člověka. Tento způsob ověřování
vibroizolačních vlastností sedadel je velmi jednoduchý a zdá se být kvalitativně
rovnocenný s dražšími a náročnějšími
postupy. Metodika má silný potenciál
pro komerční uplatnění.
obr. 2 Umístění sedadla na plošině zkušebního zařízení.
obr. 1 Zkušební zařízení pro výzkum účinků vibrací na lidský organismus v obecném směru.
38
Výzkum účinků vibrací na lidský organismus v obecném směru
obr. 3 Model sedadla s dynamickým absorbérem
v prostředí MSC.ADAMS.
www.tul.cz
Výzkum aktivního řízení odpružení sedačky
řidiče a platformy sanitního lehátka
prof. RNDr. Jan Šklíba, CSc., doc. Ing. Bedřich Janeček, CSc.,
Ing. Michal Sivčák, Ph.D., Ing. Radek Votrubec, Ph.D.
V Hydrodynamické laboratoři Fakulty
strojní bylo v rámci výzkumného záměru vyvíjeno a testováno aktivní řízení odpružení
sedačky řidiče s pneumatickou pružinou
(obr. 1). Řídicí systém byl miniaturizován
a byl vestavěn do konstrukce sedačky.
Sedačka je vyvíjena pro nákladní automobily, autobusy, zemědělské a stavební
stroje. Funkční vzor aktivně řízené sedačky
řidiče byl zabudován do nákladního automobilu Tatra a byl testován na silnicích
a testovacích drahách společnosti Tatra
Kopřivnice (obr. 2) a o výsledky výzkumu
projevuje zájem výrobce automobilových
sedaček firma C.I.E.B. Kahovec.
Zkušenosti, získané ze zkoušek byly
využity ke konstrukčním úpravám sedačky
a při tvorbě efektivnějších algoritmů řízení
sedačky. Aktivní řízení odpružení sedačky
řidiče na nákladních vozech, stavebních
a zemědělských strojích přinese zlepšení
jízdního komfortu řidiče, snížení fyzického
zatížení řidičů a spolujezdců a tím zvýší
bezpečnost dopravy. Hlavně se ale omezí
vznik nemocí z povolání od nepříznivého
namáhání páteře vibracemi během jízdy.
Druhou vibroizolační soustavou, u které
bylo vyvíjeno aktivní řízení odpružení je
prototyp platformy sanitního lehátka. Při
přepravě pacienta jsou vibrace přenášené
od vozovky na jeho tělo velmi škodlivé,
nejen že přinášejí další bolesti poraněných
orgánů, ale mohou nepříjemně působit
i na opatření související s poskytnutou
první pomocí.
Platforma je složená ze tří rámů
uložených na pneumatických pružinách.
Spodní rám tvoří paralelogram zajišťující
pohyb ve vertikální ose. Horní dva rámy
jsou otočné a umožňují naklápění ve dvou
horizontálních osách. Pohyb jednotlivých
rámů je ovládán na základě změny tlaku
v pneumatických pružinách. Řídicí systém
se skládá z regulačního obvodu polohy
paralelogramu, jehož regulátor určuje
tlak pro spodní pružiny, který pak určuje
součty tlaků v jednotlivých dvojicích
pružin horních otočných rámů, čímž je
dosaženo momentové rovnováhy v jejich
uložení. Natočení rámů je dáno poměrem
tlaků protilehlých pružin. Každá pružina
je ovládána elektropneumatickým ventilem a má vlastní čidlo tlaku. Na lehátku
jsou dále použita tři čidla polohy a tři čidla
zrychlení pro jednotlivé rámy. Všechna
čidla a akční členy jsou připojeny na měřicí
karty v PC. Řídicí aplikace je naprogramována v prostředí LabVIEW. Základní
úlohou řízení je inicializace do základní
horizontální polohy. Platforma byla testována ve čtyřech režimech. V prvním režimu
řízení na konstantní žádanou hodnotu
tlaku v pružinách, v druhém režimu řízení
s konstantní žádanou hodnotou střední
polohy paralelogramu vůči podstavě
lehátka a ve třetím režimu řízení na konstantní absolutní polohu horního rámu
vůči okolí. Čtvrtý režim je kombinací dvou
předchozích, tj. řízení na dodržení absolutní polohy horního rámu s pomalou
změnou této žádané hodnoty směrem
ke střední hodnotě polohy paralelogramu.
Měření se provádí na elektrohydraulickém pulzátoru (obr. 3). Spodní rám platformy lehátka je pomocí křížové konstrukce
připevněn na tři hydraulické válce, které
umožní libovolné buzení. Pro sledování
chování lehátka a nastavování řídicích
obvodů bylo použito budicích harmonických signálů s proměnnou frekvencí od 0.1
do 4Hz, a to jednak při buzení vertikálním,
tj. všechny tři válce se pohybují současně
synchronně a jednak při kývání v podélném i příčném směru. Dále bylo testováno chování lehátka při přejetí překážky
a s buzením odvozeném od reálného signálu naměřeného za jízdy automobilu. V rámci
měření byla provedena též frekvenční
analýza signálů pro různá zatížení do 120kg.
Na otočných rámech jsou použity řízené
magnetoreologické tlumiče (obr. 4).
Aktivním řízením platformy lehátka se
podařilo výrazně omezit amplitudu vertikálních kmitů i natočení horního rámu
a zvýšit tak komfort přepravovaného pacienta. Použitím magnetoreologických
tlumičů bylo dosaženo výrazného utlumení pohybu horních otočných rámů.
obr. 1 Zkoušky v laboratoři.
obr. 2 Zkoušky na voze Tatra.
obr. 3 Měření platformy lehátka
na elektrohydraulickém pulzátoru.
obr. 4 Magnetoreologický tlumič na platformě
sanitního lehátka.
Výzkum aktivního řízení odpružení sedačky řidiče a platformy sanitního lehátka
39
Optimalizace
termodynamických
• Numerická simulace kavitace v ozubených kolech;
• Kolaps kavitační bublinky v blízkosti stěny;
• Magnetohydrodynamika a rekrystalizační procesy;
• Optimalizace a řízení směšovacích procesů.
40
4.
Optimalizace termodynamických procesů v subsystémech energetických strojů
www.tul.cz
Numerická simulace kavitace
v ozubených kolech
Ing. Stanislav Jirouš,
doc. Ing. Karel Fraňa, Ph.D.
Úvod
Ozubená kola slouží k přenosu a transformaci energie pomocí tvarové vazby profilu ozubených kol.
Při záběru uvažujeme existenci tenké olejové vrstvy, která vzniká na povrchu kol při mazání soukolí.
Tento tenký olejový film slouží ke snížení tření povrchů ozubených kol a chrání povrch zatěžovaných
funkčních ploch. Ve styku zubů může v některých případech dojít k jejich poškození. Mechanizmus
poškození může být čistě mechanického rázu, jako například mechanické vydrolování nebo opotřebení
otěrem anebo může být způsoben mazací kapalinou. Kapalina může na povrch zubu působit buď rázy,
nebo prostřednictvím kavitační eroze. Kavitace vzniká v místech lokálního podtlaku, a proto je nutno
pro posouzení možnosti poškození zubů v důsledku kavitace tato místa hledat. Na obr. 1 je poškozený
povrch zubu ozubeného kola.
Geometrický model a numerická simulace
Tok oleje v zubové mezeře je realizován
pomocí numerické simulace založené
na metodě konečných objemů v software FLUENT. Využití numerických simulací umožňuje získat informace z různých
provozních režimů ozubeného soukolí,
a to i v místech, která jsou pomocí experimentálních metod obtížně dosažitelná.
Výpočetní doména včetně naznačení
okrajových podmínek je uvedena na obr.
2. Pro výpočet nebyl, s ohledem na hodnoty Raynoldsova čísla, použit žádný
model turbulence. Pro výpočet vícefá-
zového proudění oleje a vzduchu byl
použit model Volume of Fluid (VOF).
Množství oleje na povrchu ozubených
kol je jednou z počátečních podmínek
numerické simulace. Pro výpočet byla
zvolena vrstva oleje na povrchu zubu silná 1mm. V důsledku pohybu segmentu
ozubeného kola bylo nutno v jeho jednotlivých pozicích provádět přestavbu
výpočetní sítě (remeshing). Na obr. 3
je naznačen způsob tvorby objemové
výpočetní sítě.
obr. 2 Modelovaná oblast ozubeného soukolí.
obr. 1 Poškození povrchu zubu.
obr. 3 Řez objemovou sítí.
Numerická simulace kavitace v ozubených kolech
41
Výsledky
obr. 4 Proudnice obarvené dle velikosti rychlosti.
Tlakové a rychlostní pole bylo monitorováno na povrchu
ozubeného kola pomocí uživatelsky definované funkce. Vyhodnocení tlakového pole ozubeného kola je zaměřeno
na oblast s nízkými tlaky. Pokud předpokládáme hodnotu
tlaku nasycených par u použitého oleje okolo 1000 Pa, pak
oblasti s tlakem blízko této hodnotě nebo pod touto hodnotou
představují možná místa vzniku kavitace. Proudnice na povrchu ozubeného kola obarvené dle vektoru rychlosti jsou
uvedeny na obr. 4 a tlakové pole na povrchu ozubeného kola
pak na obr. 5. Nepříznivý tlakový gradient, který je situován
i v místě poškození reálného ozubeného kola je na obr. 6.
Závěr
Nejvyšší četnosti tlaků na povrchu ozubených kol s nízkými
hodnotami tlaku byly pozorovány i v oblastech, kde se vyskytuje
poškození na reálném ozubení (obr. 7). V případě nestlačitelné
kapaliny byly pozorovány vysoké hodnoty podtlaků.
obr. 5 Tlakové pole na povrchu ozubených kol.
obr. 6 Poloha tlakového gradientu a zobrazení olejového filmu v zubové mezeře.
obr. 7 Zobrazení oblasti s minimální hodnotou tlaku – experiment vs. simulace.
42
Numerická simulace kavitace v ozubených kolech
Touto metodikou lze velmi úspěšně kontrolovat odolnost
navržené geometrie zubu z hlediska kavitační eroze, snížit
potřebu náročných experimentů, výrazně přispět ke snížení
hluku převodového ústrojí a ke zvýšení životnosti pastorku
ozubeného soukolí. Realizace se uskutečnila při návrhu inovací
převodovek pro kolejová vozidla a větrné elektrárny.
www.tul.cz
Kolaps kavitační bublinky v blízkosti stěny
Ing. Miloš Muller, Ph.D.,
doc. Ing. Jiří Unger, CSc.
Úvod
Pod pojmem kavitace rozumíme všechny jevy
spojené se vznikem, zánikem a aktivitami makroskopických dutin – bublin v kapalině. Termín
kavitace je především spojován s nežádoucími
účinky provázejícími kolaps kavitačních bublin. Jedním z nejvýznamnějších je kavitační
eroze. Nežádoucí účinky kavitace však zakrývají
skutečnost, že pozitivní účinky kavitace jsou
využívány v mnoha oblastech. Schopnost kavitace soustředit energii na velice malé ploše
a vyprodukovat silný tlakový pulz je využívána
v mnoha průmyslových procesech. Jedním z nich
je například ultrazvukové čištění. Velice důležitou
aplikací je využití kavitace při úpravě vody. Laserem indukovaná kavitace je operačním nástrojem v mnoha medicínských aplikacích. Základem
porozumění kavitaci je porozumět chování jejích
základních elementů – kavitačních bublin, zejména pak jejich kolapsu. Určení silového účinku
kavitačních bublin na stěnu je jedním zásadních
problémů.
obr. 1 Základní schéma experimentu určeného pro výzkum
kolapsu kavitační bublinky.
Experiment a měření
Účinky vlivu kavitace na pevné stěny lze zkoumat pomocí akustických a optických metod. Je však třeba si uvědomit, že uvedené děje
probíhají velkou rychlostí a požadavky na uvedenou techniku jsou
značné.
Na obr. 1 je uvedeno základní schéma experimentu určeného
pro výzkum kolapsu kavitační bublinky v blízkosti pevné stěny.
Bublinky mohou být generovány pomocí laseru, nebo pomocí
elektrického výboje. Příklad kolapsu bublinky generované pomocí
laseru na povrchu optického vlákna je na obr. 2.
obr. 3 Kolaps bublinky generované pomocí laseru na povrchu optického vlákna.
43
Výsledky
Na obr. 3 je záznam kolapsu kavitační bublinky v blízkosti pevné stěny pomocí vysokorychlostní kamery. Odpovídající záznam hydrofonu umístěného za stěnou je pak na obr.
4. a vyhodnocený časový vývoj poloměru bublinky do prvního
kolapsu na obr. 5.
Z obrázků je patrné, že bublinka nejprve prudce naroste
a pak následuje její kolaps. Během kolapsu generuje bublinka
proud tekutiny směrem ke stěně. Tento proud je generován, jak
během prvního, tak během druhého kolapsu.
Sílu kolapsu je možné určit pomocí kalibrace hydrofonu známou silou, například pomocí kyvadla. Například impulz uvedený na obrázku jedna odpovídá síle 988N.
obr. 4 Záznam z hydrofonu umístěného za stěnou při kolapsu kavitační bublinky.
obr. 3 Záznam kolapsu kavitační bublinky v blízkosti pevné stěny pomocí
vysokorychlostní kamery.
Závěr
Uvedené výsledky ukazují, že kombinace akustických a optických metod může poskytnout velice podrobné informace o síle
kolapsu bubliny. Znalost síly kolapsu bublinky v závislosti na její
vzdálenosti od stěny je důležitým parametrem při numerických
simulacích, které pak mohou sloužit k výpočtům kavitačního
proudění a jeho interakce s povrchy těles.
44
obr. 5 Časový vývoj poloměru bublinky.
www.tul.cz
Magnetohydrodynamika a rekrystalizační procesy
Ing. Kateřina Horáková,
doc. Ing. Jiří Unger, CSc.,
doc. Ing. Karel Fraňa, Ph.D.
Magnetohydrodynamika a její využití v praxi
Magnetohydrodynamika (MHD) je nauka o chování vodivé
tekutiny (kapaliny nebo plazmy) v magnetickém poli. Magnetohydrodynamické jevy v tekutých kovech jsou vyvolány vnějším,
zpravidla časově či prostorově proměnným elektromagnetickým
polem. Elektrický proud, indukovaný rotačním magnetickým
polem (RMF) pro vodivou tekutinu, je dán druhou Maxwellovou
rovnicí a Ohmovým zákonem pro pohybující se médium.
Proudění elektricky vodivé tekutiny je tématem mnoha numerických teoretických i experimentálních studií. První zmínky
o MHD se objevovaly v souvislosti s astrofyzikou a geofyzikou.
V padesátých letech minulého století se zájem o MHD zaměřil
hlavně na fyziku plazmatu a řízení termonukleární fúze. Později
se zájem o MHD rozšířil i do průmyslových odvětví, kde se RMF
používá např. při kontinuálním lití oceli a hliníku a dále při výrobě
polovodičů.
Možnosti využití magnetického pole i posouzení vhodnosti
různých druhů magnetického pole jsou aktuálně zkoumány,
přičemž rotační pole se ukázalo jako dobře využitelné. Dále je
v odborných kruzích zkoumán vliv syntézy různých magnetických
polí. V poslední době se testuje použití RMF pro gallium nebo rtuť
a dále pro různé tavicí techniky jako Float Zone, Czochralski, Bringman nebo Travelling Heater Method.
Soustavou několika odvození (přes řešení skalárního potenciálu
pomocí Besselovy rovnice) se dojde na výsledný analytický vztah
pro časově průměrovanou Lorentzovu sílu v azimutálním směru.
Z výpočtového kódu NS – FEM3D byly získány databáze hodnot
Lorentzových sil pro různá Taylorova čísla. Protože síť krychlové
nádoby je nestrukturovaná, bylo pro zobrazení hodnot Lorentzových sil ve zvolené zobrazovací rovině využito váhové funkce
čtyř nejbližších bodů skutečné sítě.
Aby bylo možné porovnat kontury Lorentzových sil z této databáze s konturami Lorentzových sil dle analytického vzorce,
byly hodnoty normalizovány k jedničce, tj. k maximální hodnotě
souboru (viz. obr. 2).
Vyšší hodnoty Lorentzových sil u krychle jsou způsobeny
hranatým tvarem samotné nádoby. Pohybující se tavenina
(dominantně v azimutálním směru) zrychluje a zpomaluje, následkem toho se vytvářejí relativně významné turbulentní koherentní
struktury.
Minimální rozdíly se nacházejí zhruba v polovině výšky nádoby,
kde je tavenina minimálně ovlivněna hranami a frikčními jevy na
horní a dolní podstavě. Na obr. 3 je procentuální zobrazení rozdílu
Lorentzových sil u krychle a válce.
Experimentální výzkum vlivu RMF je energeticky velmi náročný.
Y. M. Gelfgat a A. Y. Galfgat v práci Experimental and numerical
study ofrotatingmagneticfielddrivenflow in thecylindricalenclosures popisují měření azimutálních rychlostí ve válcové nádobě
a výsledky porovnávají s numerickou simulací. Taveninou v experimentu byla zvolena slitina InGaSn, protože je tekutá za pokojových
teplot. Pro studium reálných dějů ovlivňujících rekrystalizační procesy je však vhodné simulovat turbulentní struktury v komplexních
geometriích.
obr. 2 Zobrazení normalizovaných kontur
azimutálních Lorentzových sil v krychli.
Popis úlohy a výsledný analytický vztah
Cílem práce je popis proudění elektricky vodivé taveniny uvnitř
rotačně nesymetrické nádoby. Proudění je též vyvoláno rotačním
magnetickým polem, resp. Lorentzovou silou, která uvádí taveninu do rotačního pohybu. Na obr. 1 je zobrazen okamžitý stav
rychlostního pole. Proudění v azimutálním směru hraje dominantní roli pro homogenizační proces.
Zobrazeny jsou řezy nádobou – kvádrem. Maxima rychlostí jsou
zobrazena červeně, minima modře.
Lorentzova síla se skládá z časově nezávislé (průměrované)
složky a z oscilační komponenty, která rotuje s dvojnásobnou
frekvencí. Ovšem tekutina, z důvodu její dostatečně vysoké
setrvačnosti, není schopna dosáhnout tak velké změny složky síly.
Z tohoto důvodu se oscilační složka síly zanedbává a sleduje se
pouze časově nezávislá složka.
obr. 1 Okamžité azimutální rychlosti uφ.
Závěr
obr. 3 Procentuální rozdíl normalizovaných
Lorentzových sil v krychli a válci.
Závěrem je nutno konstatovat, že využívání rotačního magnetického pole pro optimalizaci rekrystalizačních procesů
v tavenině je formováno nejen magnetickou indukcí, ale významně
též faktorem tvaru nádoby. Zakomponováním analytického vztahu
do výpočetního kódu NS-FEM3D velice urychlí výpočetní čas optimalizace homogenizačních turbulentních struktur.
Magnetohydrodynamika a rekrystalizační procesy
45
Optimalizace a řízení směšovacích procesů
doc. Ing. Václav Dvořák, Ph.D.
Tématem této práce jsou směšovací a proudové
procesy probíhající v ejektorech. Ejektory jsou
trysková čerpadla nebo kompresory poháněné
proudem plynu, páry nebo kapaliny. Používají
se v průmyslu jako zdroje podtlaku, k čerpání
kapalin z velkých hloubek, k dopravě kyselin
v chemickém průmyslu, v textilním průmyslu
jako tkací trysky nebo i v letectví pro zvýšení
tahu motorů. Ejektor je po konstrukční stránce
velice jednoduché zařízení (obr. 1), bez pohyblivých částí, levné a provozně spolehlivé. O to
složitější jsou směšovací procesy, které v něm
probíhají. Nedostatečné porozumění principu
činnosti a absence uceleného pohledu na celé
zařízení tak vedou k nedokonalým konstrukcím
s nízkou účinností.
obr. 1 Princip a konstrukční uspořádání ejektoru.
obr. 2 Experimentální zařízení.
46
Nízká účinnost ejektoru je dána principem jeho činnosti. Hnací,
vysokotlaká tekutina expanduje v hnací trysce do vysokých
rychlostí, na okraji proudu dochází ve směšovací komoře ke
strhávání okolní, hnané tekutiny. Směšovací procesy, při kterých
se následně předává část pohybové energie hnací tekutiny
tekutině hnané, jsou samy o sobě zdrojem energetických ztrát,
směšování proudů přitom probíhá při vysokých rychlostech a to
je spojeno s dalšími ztrátami třením a vlivem aerodynamické nedokonalosti. Je snadné smíchat dva proudy tekutiny v ejektoru,
obtížnější je ale provést to tak, aby bylo dosaženo co nejvyšší energetickou účinnosti. Směšování dvou proudů v ejektoru je charakterizováno vysokou intenzitou turbulence, kterou při současných
výpočtových možnostech popisujeme velice zjednodušeně
a nepřesně. Na rozdíl od většiny ostatních zařízení na dopravu
tekutin, ve kterých jsou turbulentní smykové oblasti nežádoucí,
hrají turbulentní procesy v ejektoru dominantní roli. Protože jsou
ejektory relativně malá zařízení, je měření rychlostí uvnitř úzkých
kanálů komplikované, neboť sondy nezanedbatelně rozrušují
proudové pole a laserové metody měření rychlosti se potýkají
s odlesky paprsků od zakřivených stěn.
www.tul.cz
Cílem výzkumu je porozumět více dějům při směšování dvou
proudů v ejektoru a díky tomu celé zařízení vylepšit a optimalizovat. Na vybudované experimentální trati (obr. 2) je možné
realizovat výzkum směšovacích procesů, provádět porovnávací
měření a ověřovat výpočtové metody. Analyzuje se proudění
ve válcové směšovací komoře a potvrzují se předpoklady,
že směšování je možné rozdělit na počáteční a hlavní oblast.
V počáteční oblasti směšování nezasahuje směšovací vrstva
k mezní vrstvě na stěně směšovací komory, směšování je málo
intenzivní, prakticky se nemění tlak a je možné uvažovat o volném hnacím proudu. V hlavní oblasti směšování se směšovací
vrstva rozprostírá přes celý průřez směšovací komory a během
intenzivního směšování roste rychle statický tlak. Přechod mezi
počáteční a hlavní oblastí směšování je přitom velice rychlý,
typicky nastává na délce odpovídající jedné desetině průměru
směšovací komory. Veškeré děje, které v ejektoru probíhají,
expanze obou proudů, směšování a následná komprese, se
navzájem ovlivňují, a tak malá změna jednoho konstrukčního
nebo provozního parametru změní proudění v celém zařízení.
Potýkáme se tak s problémem, jak ejektory hodnotit a optimalizovat, neboť převážná většina změn, které provedeme,
způsobí zhoršení energetické účinnosti. Podařilo se vytvořit
metodu pro simultánní optimalizaci všech částí ejektoru, kdy
se tvarování jednotlivých částí ejektoru navzájem ovlivňuje
a díky tomu je dosaženo prakticky ideálního řešení. Ukazuje se,
že vysoká účinnost je dána nejen aerodynamickým tvarováním
všech částí ejektoru, ale i nalezením optimální velikosti vstupního průřezu hnaného proudu a především rychlým růstem
statického tlaku během směšování v rozšiřující se směšovací
komoře. To je v přímém rozporu se zažitými konstrukčními pravidly doporučujícími směšovací komoru válcovou, tzv. rovnoplochou, nebo dokonce zužující se rovnotlakou. Optimalizací
je dosaženo vyššího poměru rychlostí obou proudů a tím jsou
sníženy ztráty vlastním směšováním. Optimalizované ejektory
mají znatelně vyšší účinnosti, až o čtvrtinu oproti konvenčnímu
provedení ejektoru. Každé procento účinnosti navíc otevírá
další aplikační možnosti ejektorů.
Jeden ze směrů výzkumu směšování se zaměřil na vliv tvaru
hnací trysky (obr. 3), kterou do směšovací komory vstupuje
hnací proud tekutiny. Je známo, že volný proud z trysky, jejíž od-
toková hrana je zvlněna nebo jinak pozměněna, se rychleji šíří
do okolní tekutiny, není ale stejně detailně zmapováno chování
podobného proudu v omezeném prostoru ejektoru a již vůbec
se neřeší vliv na energetickou účinnost následného směšování.
I v tomto případě platí, že většina konstrukčních změn, která
se na obyčejné kruhové hnací trysce realizuje, vede ke snížení
energetické účinnosti ejektoru, neboť kruhová tryska sama
o sobě přestavuje lokální optimum. Při změně trysky se mění
poměr průřezů obou trysek a tím i rychlostní a tlakové poměry
v celém zařízení, jsou ovlivněny směšovací procesy a jinak
pracuje i difuzor. Je tak obtížné porovnat mezi sebou vlivy dvou
hnacích trysek na směšování. Znovu se tak ukazuje, že použitá
hnací tryska musí být optimalizována, aby bylo dosaženo
alespoň malého vylepšení. Teprve porovnáním a analýzou více
optimalizovaných řešení bylo zjištěno, že použitím nekruhové
hnací trysky je možné dosáhnout rychlejšího a rovnoměrnějšího
průběhu směšování. Počáteční oblast s navýšenou intenzitou
směšování přechází plynule do hlavní oblasti se sníženou
intenzitou směšování. Je tak disipováno menší množství
energie a je docíleno vyšší energetické účinnosti. Jako velice
perspektivní se jeví lalokovité trysky, jejichž odtoková hrana
je zvlněna a trysky vícenásobné, kdy hnací proud vstupuje do
směšovací komory z několika menších trysek. Aerodynamická
optimalizace nám tak přes všechna omezení numerických
výpočtů umožňuje získat představu, jaké procesy jsou důležité
pro vyšší energetickou účinnost.
Cílem nedávného výzkumu bylo stanovit vliv generátorů
syntetizovaných proudů a generátorů tlakových pulzů
umístěných v ejektoru na směšování. Cílem je dosáhnout
rychlejšího směšování, které by následně mělo umožnit kratší
stavební délku směšovací komory. Pokud by se toho dosáhlo,
mohou se snížit rovněž energetické ztráty třením na stěně
směšovací komory. V případě, že úspora třecích ztrát bude větší,
než nárůst disipace energie od syntetizovaného paprsku, zvýší
se i účinnost. Získané teoretické výsledky mají bezprostřední
aplikační výstup, a přestože se podařilo dosáhnout velkého
navýšení účinnosti, získané poznatky o tryskách složitějších
tvarů nabízejí další možnosti vylepšení. Metody optimalizace,
jako např. diferenciální evoluce umožňující nalezení globálního
optima ve spojení s 3D simulací, pak slibují další růst účinnosti.
obr. 3 Hnací trysky.
Optimalizace a řízení směšovacích procesů
47
Výzkumný záměr: „Optimalizace vlastností
strojů v interakci s pracovními procesy
a člověkem“ – výsledky činnosti
Výzkumný záměr obsahuje ve svém zaměření
komplexní a široce pojatý aplikovaný výzkum
orientovaný na optimalizace vlastností strojů,
pracovních procesů a jejich interakce s člověkem,
jednotlivé položky výsledků jsou ve svém výčtu
naplněním uvedeného zaměření.
Souhrn výsledků výzkumného záměru v letech 2005 - 2010
Přehled výsledků výzkumného záměru v letech 2005 - 2010
48
Výzkumný záměr: výsledky činnosti
www.tul.cz
Hydrodynamická laboratoř – špičkové pracoviště Fakulty strojní Technické univerzity v Liberci
vybudované s institucionální podporou výzkumného záměru.
49
Monografie
Dynamická manipulace s plochým sklem (2008)
Práce předkládá autorem zpracovanou metodiku využití
počítačového modelování v oblasti dynamické manipulace
s tenkými deskami skla. Byl proveden rozbor podmínek pro stabilní držení objektu podtlakovou úchopnou hlavicí z hlediska silového zatížení a definice optimálního koeficientu bezpečnosti.
Proběhla experimentální studie frekvenčních vlastností
a charakteru kmitání symetricky, podtlakově uchopené desky
v závislosti na reálném nastavení manipulačního cyklu ve
vztahu k rozměrům desky, materiálovým vlastnostem a poloze
úchopných prvků při manipulaci se sklem. Byl zformulován
a ověřen optimalizační postup návrhu rozmístění přísavek ve
vztahu k uchopené desce tak, aby bylo dosaženo rovnoměrného
zatížení tabule a minimalizována pravděpodobnost kolizí
s perifériemi v odkládacích pozicích. Kniha je určena všem
odborným pracovníkům, technikům, ale i studentům strojních
fakult zabývajícím se problematikou automatické manipulace a optimalizací návrhu podtlakových úchopných hlavic ve
vztahu k minimalizaci namáhání desky a koncového členu robotu během automatické manipulace.
165 stran.
ISBN 978-80-7372-425-2
Hodnocení průmyslových dat pomocí fraktální
geometrie (2008)
Monografie je uceleným souhrnem poznatků dlouhodobého
výzkumu aplikace nekonvenčních metod pro popis běžných
dat z průmyslové praxe a z aplikovaného výzkumu. Těží
z poznatků z relativně nedávného období a vědeckých prací
zaměřených většinou pouze na základní výzkum. Publikace
popisuje v obecné části samotnou fraktální geometrii v širším
kontextu, následuje popis současného stavu problematiky
a užitých matematických nástrojů a těžištěm práce je v podrobném hodnocení třech typů dat, které se v průmyslové praxi nejvíce vyskytují: časové řady, 2D snímky a rozhraní. Využitelnost
metodiky je prezentována na reálných datech z průmyslové
praxe z oblasti sklářského průmyslu, přičemž byl kladen důraz
na možnosti užití získaných znalostí, metodiky a principů pro
popis dat z průmyslové výroby a výrobků obecně. Navržené
metodiky zpracování dat mají proto obecnou platnost a lze je
použít pro data z mnoha oborů průmyslu.
180 stran.
ISBN 978-80-7372-431-3
50
www.tul.cz
Dynamické chování kavitačních bublin
generovaných laserem (2008)
Monografie se zabývá studiem kavitačních bublinek se
zaměřením na laserem indukovanou kavitaci v regulární
a neregulární (retrográdní) tekutině. Je zde popsán teoretický a experimentální výzkum dynamiky kavitační bublinky
v různých tekutinách. Publikace popisuje metodu vizualizace
kavitačních bublinek a rázových vln pomocí násobné expozice. Data získaná z experimentů jsou využita pro verifikaci
fyzikálních modelů laserem indukované bublinky. Diferenciální
rovnice popisující dynamiku kavitační bublinky zahrnují viskositu, povrchové napětí a stlačitelnost tekutiny a obsahují okrajové podmínky umožňující zohlednění absorpce laserového
záření tekutinou při vzniku bublinky. Je zde odvozena rovnice
pro disipaci energie rázové vlny pomocí semi-empirického
modelu, který je založen na podobnosti mezi tlakovými profily
rázové vlny v různých pozicích. Práce obsahuje popis numerických simulací kolapsu kavitační bublinky v blízkosti pevné stěny
pomocí CFD software – FLUENT.
108 stran.
ISBN 978-80-7372-241-8
Užití numerické simulace pro obtížně svařitelné materiály
na bázi aluminidů železa (2010)
Současným trendem jsou zvyšující se nároky na kvalitu a užitné
vlastnosti výrobků a na ekonomičnost výroby. Toho lze dosáhnout aplikačním využitím inovačních technologií nebo nových
typů materiálů. Do této skupiny, lze řadit také intermetalické materiály, které se v posledních letech dostávají do popředí zájmu
ve světě. Mezi nejčastější intermetalika patří aluminidy železa,
niklu a titanu. Některé z nich jsou průmyslově využívány a další
jsou součástí základního nebo aplikovaného výzkumu. Tyto slitiny
mají poměrně nízkou cenu díky malému obsahu prvků, jako jsou
Cr a Ni a mají též nižší měrnou hmotnost než vysokolegované oceli.
Aluminidy železa mají dobrou odolnost proti opotřebení (obraze,
kavitace) a výbornou odolnost proti síře a jejím sloučeninám.
Uvedené výhody jsou nicméně vyváženy obtížnou zpracovatelností těchto materiálů – zejména svařitelností. Při aplikačním
výzkumu technologické zpracovatelnosti aluminiudů železa jsou
stále více využívány numerické simulace svařování, které poskytují korektní informace o napěťových a deformačních polích při
svařování a vlivu technologických parametrů na tato pole. Díky
tomuto přístupu je možno postupy svařování optimalizovat.
98 stran.
ISBN 978-80-7372-682-9
Monografie
51
Závěrečné slovo
Výzkumný záměr „Optimalizace vlastností
strojů v interakci s pracovními procesy a člověkem“
předkládá nové poznatky z teoretického
výzkumu, ale zejména je orientován do oblasti
aplikovaného výzkumu. Významné výsledky byly
získány počítačovou simulací v účelné kombinaci
s fyzikálním modelováním zaměřeným na verifikaci výsledků virtuálních modelů. Přínos řešení
je charakterizován propracovaným metodickým
základem speciálních optimalizačních metod
s rozsáhlou experimentální verifikací.
Přínos řešení výzkumného záměru je charakterizován propracovaným metodickým základem speciálních optimalizačních
metod s rozsáhlou experimentální verifikací. Řešitelské týmy
jsou schopné multidisciplinární spolupráce s širokým zapojením doktorandů.
Pohled do jednacího sálu při hodnocení výzkumného záměru v roce 2007.
52
Závěrečné slovo
Podařilo se také zvýšit interdisciplinární informovanost členů
řešitelského týmu (www.fs.tul.cz/vz/) s možností efektivního
využití materiálního vybavení laboratoří k širší výzkumné spolupráci. Významným výsledkem je rovněž kvalifikační růst členů
řešitelského týmu (11 profesorských řízení, 9 docentských habilitací a 46 úspěšně obhájených doktorských disertací).
Významným přínosem řešení výzkumného záměru na
Fakultě strojní Technické univerzity v Liberci bylo zapojení
studentů doktorských studijních programů do řešitelských
týmů. Výsledky řešení se vyznačují potřebnou teoretickou
úrovní, přispívají k rozvoji oboru a mají vysoký potenciál pro
jejich následné využití v průmyslové praxi.
Závěrem lze konstatovat, že v průběhu řešení výzkumného
záměru bylo v letech 2005 - 2011 dosaženo řady hodnotných
výsledků, které nesporně naleznou využití jednak při řešení
následných výzkumných projektů na pracovišti řešitele projektu, jednak jsou sledovány se značným zájmem ze strany výrobních firem i dalších výzkumných institucí u nás i v zahraničí.
1.
Konstrukční
a procesní
optimalizace
Nové materiály
a pokročilé
technologie
Vibroizolační
prvky a systémy
Optimalizace
termodynamických
2.
3.
4.
www.tul.cz
Výzkumný záměr propojil výzkumné týmy
a přinesl nové kompetence
Členové komise MŠMT při průběžném hodnocení výzkumného záměru na TU v Liberci
4. 10. 2007 (zleva prof. Matoušek, předseda komise prof. Ondráček, Dr. Dobiáš a Ing. Kavan).
Laboratorní ověřování robota lezce bylo úspěšné a napínavé.
Diskuse odborníků různých generací nad výsledky výzkumného záměru byla vždy
kořením vědecké práce.
Spolupráce členů řešitelských týmů byla v celém průběhu řešení velmi cenným
výstupem výzkumného záměru.
Vydala Technická univerzita v Liberci, Studentská 1402/2, Liberec | prosinec 2011.
Autorský tým:
doc. Ing. Martin Bílek, Ph.D., Ing. Josef Blažek, Ph.D., Ing. Jiří Blekta, Ph.D., Ing. Pavel Brabec, Ph.D., Ing. David Cirkl, Ph.D., doc. Ing. Václav Dvořák, Ph.D., doc. Ing. Vítězslav Fliegel,
CSc., doc. Ing. Karel Fraňa, Ph.D., doc. Ing. Dalibor Frydrych, Ph. D., Ing. Marcel Horák, Ph.D., Ing. Kateřina Horáková, Ing. Vlastimil Hotař, Ph.D., doc. Ing. Bedřich Janeček, CSc.,
doc. Ing. Jan Jersák, CSc., Ing. Stanislav Jirouš, Ing. Jan Kolaja, Ph.D., prof. Dr. Ing. Petr Lenfeld, Ing. Aleš Lufinka, Ph.D., Ing. Jiří Machuta, Ph.D., doc. Ing. Miroslav Malý, CSc.,
Ing. Rudolf Martonka, Ph.D., prof. Ing. Bohdana Marvalová, CSc., Ing. Radek Matějec, Ph.D., Ing. Ivo Matoušek, Ph.D., doc. Ing. Josef Mevald, CSc., Ing. Jaromír Moravec, Ph.D.,
Ing. Miloš Müller, Ph.D., doc. Ing. Heinz Neumann, CSc., prof. Ing. Iva Nová, CSc., doc. Ing. František Novotný, CSc., doc. Ing. Iva Petríková, Ph.D., Ing. Michal Petrů, Ing. Jan Petřík,
Ph.D., prof. Ing. Přemysl Pokorný, CSc., doc. Ing. Ludvík Prášil, CSc., prof. Ing. Celestyn Scholz, Ph.D., Ing. Michal Sivčák, Ph.D., Ing. Pavel Solfronk, Ph.D., prof. RNDr. Jan Šklíba, CSc.,
prof. Ing. Petr Špatenka, CSc., doc. Ing. Jiří Unger, CSc., prof. Ing. Karel Vokurka, CSc., Ing. Radek Votrubec, Ph.D., Ing. Robert Voženílek, Ph.D., prof. Ing. Jan Žižka, CSc.
Grafické zpracování: Jana Vašáková Havlíková | jazyková korektura: Mgr. Miroslav Wallek | tisk: Geoprint, Krajinská 1110, Liberec.
Obsah
Výzkumný záměr propojil výzkumné týmy a přinesl nové kompetence
1/6/12 9:42 AM
Optimalizace
2005 - 2011
2005 - 2011
Optimalizace
Technická univerzita v Liberci
Studentská 2, 461 17 Liberec, www.tul.cz
kontaktní osoba: doc. Ing. František Novotný, CSc.
tel.: +420 485 354 103, mob.: +420 604 969 548, [email protected], www.fs.tul.cz/vz
1/6/12 9:42 AM

VZ MSM4674788501

Transkript

Podobné dokumenty

Výroční zpráva katedry za rok 2009 _2

PO·KOZOVÁNÍ DůTÍ A MLÁDEÎE

Český manuál - GameExpres.cz

kap4

Informační servis 11_2015 - Profesní a odborová unie

EVIDENČNÍ LIST STUDIJNÍHO PŘEDMĚTU Název studijního

Jersak Text

EVIDENČNÍ LIST STUDIJNÍHO PŘEDMĚTU Název studijního

Výroční zpráva katedry za rok 2008