Schválené projekty 2019

Rozdělení přidělené dotace z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum po fakultách se zohledněním celoškolských pracovišť na rok 2019

Celková přidělená částka z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum na VŠB-TUO - 55 404 010 Kč

Z toho 0,18 % - 99 192 Kč - úhrada způsobilých nákladů spojených s organizací SGS

fakulta přidělená částka v Kč
FBI  1 433 100
EKF  3 711 635
FAST  2 600 000
FS   8 127 164
FEI 15 797 594
HGF   5 859 651
FMT  7 597 824
VC 10 177 850
CELKEM 55 304 818

KódSP2019/97
Název projektuNasazení HPC pro řešení problémů inženýrské praxe
ŘešitelZaoral Filip Ing.
Školitel projektuIng. Petr Ferfecki, Ph.D.<br />
Období řešení projektu01.01.2019 - 31.12.2019
Předmět výzkumuPředložený projekt se bude věnovat výpočtovému modelování inženýrských problémů z oblasti dynamiky rotorových soustav, topologické optimalizace a modelování termoregulace člověka pomocí biokybernetického přístupu. Témata projektu spojuje to, že pro diskretizaci spojitého kontinua se použije metoda konečných prvků a pro řešení reálných úloh se musí využít HPC prostředky. V projektu jsou tři hlavní úkoly, a to: (i) vytvoření jádra programové knihovny v programovém prostředí MATLAB pro modelování rotorových soustav diskretizovaných třírozměrnými objemovými prvky, (ii) vytvoření programového balíku v programovém prostředí MATLAB pro topologickou optimalizaci pomocí metody SIMP a (iii) implementace tzv. Fialova pasivního a aktivního modelu termoregulace člověka na třírozměrný model geometrie lidského těla.

Přínosem projektu bude: (a) podpora realizace projektů EXPERTISE (tj. rozvoj technologií v oblasti turbínových strojů) a ExaQUte (tj. optimalizace geometricky složitých konstrukcí), (b) rozšíření sw ESPRESO a (c) vytvoření vlastních programových knihoven pro řešení zakázek ve spolupráci s průmyslem. Projekt významně podpoří disertační práci hlavního řešitele projektu, protože její nosná část se kryje s tématem projektu Výpočtového modelování rotorových soustav. HPC infrastruktura superpočítačového centra IT4Innovations bude v projektu využita při řešení reálných inženýrských problémů a v rámci tématu disertační práce hlavního řešitele, kterým je vývoj škálovatelných algoritmů pro řešení nelineárního kmitání rotorových soustav.
Členové řešitelského týmuIng. Petr Ferfecki, Ph.D.
Ing. Pavel Maršálek, Ph.D.
Ing. Michal Molčan
Bc. Tomáš Novotný
Mgr. Stanislav Paláček
Ing. David Rybanský
Ing. Martin Šotola
Bc. Martin Šrámek
Bc. David Stareczek
Ing. Filip Zaoral
Ing. Petr Zondlak
Specifikace výstupů projektu (cíl projektu)Předkládaný projekt se zaměřuje na témata z oblasti: (i) výpočtového modelování rotorových soustav, (ii) vývoje algoritmů pro topologickou optimalizaci a (iii) výpočtového modelování pasivní a aktivní termoregulace člověka.

(i) Výpočtové modelování rotorových soustav

Cílem je vyvinout v programovém systému MATLAB jádro knihovny pro výpočtové modelování rotorových soustav. Výpočtové modely budou sestaveny pro rotující komponenty rotorové soustavy diskretizované metodou konečných prvků, a to pomocí třírozměrných objemových prvků. S ohledem na prováděné analýzy je výpočtové modelování rotorových soustav diskretizovaných třírozměrnými objemovými prvky v komerčně dostupných programech (ANSYS, COMSOL Multiphysics, MSC Nastran/Patran) spojeno s řadou omezení.

Harmonogram:

1. fáze: od ledna až do konce února
První fáze výpočtového modelování rotorových soustav bude zahrnovat (i) sestavení vztahů pro kinetickou a potenciální energii rotujícího třírozměrného objemového prvku a (ii) odvození jeho pohybové rovnice ve spolurotujícím a pevném souřadnicovém systému pomocí Lagrangeových rovnic 2. druhu. V odvozené pohybové rovnici budou respektovány i důsledky teorie druhého řádu tj. efekt „stress stiffening“ a „spin softening“.

2. fáze: od března do prosince
Druhá fáze bude zaměřena na tvorbu jádra knihovny pro výpočtové modelování rotorových soustav. V jejím rámci budou vytvářeny algoritmy pro: (i) stacionární analýzu, (ii) modální analýzu a (iii) výpočet přechodové a ustálené odezvy vynuceného kmitání ve spolurotujícím a pevném souřadnicovém systému. Do knihovny budou implementovány s lineární nebo nelineární silovou vazbou vybrané vazbové prvky (ložiska, tlumiče, apod.) mezi rotujícími a stacionárními částmi rotorové soustavy.

3. fáze: od května do prosince
Třetí fáze, která bude vyvíjena současně s druhou, se bude věnovat implementaci metody harmonické rovnováhy a případně i trigonometrické kolokace k výpočtu ustálené odezvy na vynucené kmitání (např. způsobené odstředivou silou od nevyváženosti disků) rotorové soustavy s nelineární silovou vazbou. S ohledem na nelineární podstatu pohybové rovnice bude k výpočtu amplitudo-frekvenční charakteristiky implementována kontinuační technika (např. metoda délky oblouku) a k posouzení stability ustáleného vynuceného kmitání bude využita Floquetova věta.

(ii) Vývoj algoritmů pro topologickou optimalizaci

Toto téma volně navazuje na předchozí projekt „Využití metod topologické optimalizace v inženýrské praxi“. Ukázalo se, že pro topologickou optimalizaci úloh technické praxe je nejvýhodnější metoda SIMP (Solid Isotropic Microstructure with Penalization, Metoda pevné izotropní mikrostruktury s penalizací), která uvažuje izotropní mikrostrukturu a využívá penalizace. Cílem je v programovém systému MATLAB vytvořit vlastní knihovnu umožňující topologickou optimalizaci pomocí metody SIMP pro diskretizaci metodou konečných prvků. Za tímto účelem bude provedeno: (i) důkladné studium matematické podstaty metody SIMP, (ii) zkoumání přístupů na omezení závislosti SIMP na hustotě diskretizace, (iii) studium a implementace vhodných metod matematické optimalizace pro SIMP a (iv) srovnání výsledků optimalizace z vlastní knihovny a komerčního sw.

(iii) Výpočtové modelování pasivní a aktivní termoregulace člověka

Aby byly CFD simulace uzavřených vnitřních prostor, kabin dopravních prostředků, klimatizačních systémů pro úpravu vnitřního prostředí apod. validní, musí se do nich zahrnout i fyziologický model termoregulace člověka. V současné době je ve výpočetních sw nejvíce používaným modelem fyziologie člověka tzv. Fialův model. Tento model reprezentuje lidské tělo ve formě diskrétních částí tvořených kulovými a válcovými tělesy. Fialův pasivní/aktivní systém je matematický model přestupu tepla uvnitř lidského těla a tepelné výměny člověka s okolím.
Cílem tohoto tématu je aplikovat Fialův pasivní/aktivní model termoregulace člověka na třírozměrný model geometrie lidského těla. V rámci jeho řešení bude: (i) modifikován plošný model lidského těla na třírozměrný objemový model, (ii) provedeno nastavení fyzikálních parametrů termomechanických vlastností objemového modelu, (iii) realizován verifikační časově závislý výpočet podle podkladů z literatury.
Na rozdíl od původního Fialova modelu bude nově vytvořený matematický model zahrnovat reálnou geometrii lidského těla, a to včetně uvážení několika orgánových soustav, např. kosterní, svalová, oběhová, nervová, či kožní soustava, které jsou tvořeny různými tkáněmi s odlišnými termomechanickými vlastnostmi. Výpočtový model umožní reálnější studium výměny tepla s okolím vlivem (přenosu tepla konvekcí, krátkovlnnou a dlouhovlnnou radiací, vypařováním a v důsledku respiračních tepelných ztrát).

Navrhovaný projekt se zabývá tématy, která podporují vědeckovýzkumné aktivity národního superpočítačového centra IT4Innovations, mají přímou souvislost s významnými projekty řešenými na IT4Innovations a zakázkami realizovanými ve spolupráci s průmyslem. Projekt svou navrhovanou strukturou bude mít přímý dopad na prohloubení spolupráce napříč Laboratoří vývoje paralelních algoritmů. Projekt významně podpoří disertační práci hlavního řešitele projektu a diplomové práce studentů magisterského studijního programu z oboru Aplikovaná mechanika na Fakultě strojní VŠB-TUO. Všechna témata v předloženém projektu řeší aktuální, náročné technické problémy v oblasti teoretické, ale i aplikační sféry.

Očekávané publikační výstupy
- článek v časopise s impakt faktorem
- 1 nebo 2 články v odborném časopise
- 2 až 3 články ve sborníku na mezinárodní nebo tuzemské vědecké konferenci


Kvalifikace členů řešitelského týmu

Řešitelský tým je složen z 3 pracovníků IT4Innovations a 7 studentů oboru Aplikovaná mechanika z magisterského studijního programu na Fakultě strojní VŠB-TUO.

Ing. Filip Zaoral je hlavní řešitel projektu a prezenční student doktorského studia VŠB-TU Ostrava, Univerzitního studijního programu Výpočetní vědy a stejnojmenného oboru. V roce 2017 obhájil diplomovou práci na téma Simulace impaktu bateriového boxu vozidla SCX 3.5. Tématem jeho disertační práce jsou Škálovatelné algoritmy pro řešení nelineárního kmitání a jejím plánovaným výstupem je implementace programové knihovny pro řešení dynamiky rotorových soustav s využitím HPC v sw ESPRESO. V předkládaném projektu se bude věnovat tématu Výpočtové modelování rotorových soustav a bude se spolupodílet na řešení všech jeho fází.

Ing. Petr Ferfecki, Ph.D. – školitel
Již více než desetiletá zkušenost (od roku 2005) v oblasti VaV. Odborné zaměření na výpočtové modelování rotorových soustav s nelineárními vazbovými prvky, počítačové modelování technických problémů, měření a zpracování vibrací. Autor a spoluautor více než 10 odborných článků v renomovaných impaktovaných časopisech, řady odborných časopiseckých článků, konferenčních příspěvků z oblasti výpočtového modelování a sw pro technické problémy. Hlavní řešitel postdoktorského projektu GAČR, několika projektů Moravskoslezského kraje a spoluřešitel řady projektů GAČR, MPO a TAČR.

Ing. Pavel Maršálek, Ph.D. – školitel části Vývoje algoritmů pro topologickou optimalizaci
Již více než pětiletá zkušenost (od roku 2013) v oblasti VaV. Odborné zaměření na výpočtové modelování dynamických rázových dějů. Autor a spoluautor několika patentů, užitných vzorů a odborných článků. Řešitel národních i mezinárodních projektů a smluvního výzkumu.

Bc. Michal Molčan – bakalářská práce na téma Konstrukční návrh předsádky s měnitelnou geometrií pro ultrazvukové snímače, v projektu se bude věnovat tématu Výpočtového modelování rotorových soustav a problematice metody harmonické rovnováhy, trigonometrické kolokace a kontinuačních metod (např. metoda délky oblouku)

Bc. Tomáš Novotný – bakalářská práce na téma Návrh malého jeřábu pro nosnost 1,5 t., v projektu se bude věnovat tématu Výpočtového modelování rotorových soustav a problematice tvorby jádra knihovny pro výpočtové modelování rotorových soustav

Bc. Petr Zondlak – bakalářská práce na téma Inovace Pákového mechanického vklíněnce, v projektu se bude věnovat tématu Vývoj algoritmů pro topologickou optimalizaci a problematice metody SIMP v komerčním sw

Bc. David Stareczek – bakalářská práce na téma Výroba, montáž a ověření funkčnosti prototypu mechanického fantomu simulace pohybu ozařovaného nádorového ložiska, v projektu se bude věnovat tématu Vývoj algoritmů pro topologickou optimalizaci, problematice metody SIMP v komerčním sw a implementaci metody SIMP do knihovny optimalizačních algoritmů vyvíjené v programovém prostředí MATLAB

Bc. Martin Šotola – bakalářská práce na téma Analýza rámu Buggy D1, v projektu se bude věnovat tématu Vývoj algoritmů pro topologickou optimalizaci a implementaci metody SIMP do knihovny optimalizačních algoritmů vyvíjené v programovém prostředí MATLAB

Bc. David Rybanský – bakalářská práce na téma Analýza rámu Buggy D2, v projektu se bude věnovat tématu Vývoj algoritmů pro topologickou optimalizaci a problematice zpracování a srovnání výsledků optimalizace z vlastní knihovny a komerčního sw

Bc. Martin Šrámek – bakalářská práce na téma Napěťová a deformační analýza krytu pece, v projektu se bude věnovat tématu Výpočtové modelování pasivní a aktivní termoregulace člověka

Rozpočet projektu - uznané náklady

NávrhSkutečnost
1. Osobní náklady
Z toho
0,-0,-
1.1. Mzdy (včetně pohyblivých složek)0,-0,-
1.2. Odvody pojistného na veřejné zdravotně pojištění a pojistného na sociální zabezpečení a příspěvku na státní politiku zaměstnanosti0,-0,-
2. Stipendia204000,-189000,-
3. Materiálové náklady0,-0,-
4. Drobný hmotný a nehmotný majetek5000,-138491,-
5. Služby10000,-18297,-
6. Cestovní náhrady160000,-512,-
7. Doplňkové (režijní) náklady max. do výše 10% poskytnuté podpory42111,-41500,-
8. Konference pořádané VŠB-TUO k prezentaci výsledků studentského grantu (max. do výše 10% poskytnuté podpory)0,-27200,-
9. Pořízení investic0,-0,-
Plánované náklady421111,-
Uznané náklady415000,-
Celkem běžné finanční prostředky421111,-415000,-