Projekty a granty

Komplexní MKP simulace spojů tenkostěnných prvků zahrnující inverzní analýzu materiálových modelů a variabilitu tlouštěk a stáří plechů

SP2026/076

ROZBOR STAVU PROBLEMATIKY V ČR A VE SVĚTĚ: Modelování spojů tenkostěnných plechů je klíčové pro návrh lehkých ocelových konstrukcí, protože právě spoje zásadně ovlivňují globální i lokální chování konstrukce. U tenkostěnných prvků se projevují výrazné geometrické imperfekce, nelinearita materiálu a interakce mezi tvarem a zatížením, což komplikuje použití zjednodušených analytických postupů [Schramm et al., 2023; Weiss et al., 2020]. Moderní výzkumy ukazují, že pro realistické predikce je nutné využít pokročilé numerické metody GMNIA (Geometrically and Materially Nonlinear Analysis with Imperfections) v prostředí MKP [Ye et al., 2022; Liu et al., 2023]. Tyto metody umožňují zahrnout počáteční zakřivení, nerovnoměrnou tloušťku a lokální plastické zóny, které vznikají při výrobě. Cílem projektu je vytvořit široké spektrum parametrických numerických modelů simulujících spojení dvou tenkostěnných plechů v programu ANSYS. Budou analyzovány různé přístupy k idealizaci spojů – od jednoduchých joint-to-joint, přes General Joint – Bushing, až po plně objemové modely spojovacích prostředků [Breda et al., 2017; Ansys Help, 2024]. Samotné plechy budou modelovány jak pomocí skořepinových prvků (SHELL181), tak objemových prvků (SOLID186, SOLSH190), což umožní porovnat vliv volby konečných prvků na přesnost a výpočetní náročnost [FEA Tips, 2021]. Projekt zahrne několik tlouštěk plechů a dvě stáří vzorků (1 rok a 10 let), což umožní zohlednit vliv stárnutí materiálu na chování spoje. Vstupní data pro inverzní analýzu (geometrie, materiálové křivky) poskytne běžící projekt GAČR 25‐15763S, který řeší konstitutivní modely a únavové chování. Na základě těchto dat budou odvozeny multiparametrické materiálové modely, které poslouží jako vstup pro parametrickou studii. Kombinací různých tlouštěk, stáří a typů idealizace vzniknou desítky variant s odlišným chováním. Díky GMNIA analýze bude možné vyhodnotit nejvhodnější přístupy z hlediska přesnosti, rychlosti a efektivity. Výstupy projektu vytvoří ucelenou základnu dat pro budoucí modelování clinch spojů, které mohou být perspektivní alternativou ke klasickým metodám spojování tenkostěnných za studena válcovaných profilů [Flodr et al., 2020; Fu et al., 2024]. Reference: - Schramm, B. et al.: A Review on the Modeling of the Clinching Process Chain – Part III, Journal of Advanced Joining Processes, 2023. - Weiss, D. et al.: Special specimen geometry for fracture parameters of clinchable sheets, Procedia Structural Integrity, 2020. - Ye, J. et al.: Numerical model for thin-walled steel connections, Structures, 2022. - Liu, F. et al.: Research advances in fatigue behaviour of clinched joints, Int. J. Adv. Manuf. Technol., 2023. - Breda, A. et al.: Equivalent modeling strategy for a clinched joint, Thin-Walled Structures, 2017. - Flodr, J. et al.: Experimental and numerical evaluation of clinch connections, Sustainability, 2020. - Fu, L. et al.: Optimization of clinching joint process, Metals, 2024. - Ansys Help: SOLSH190 Element Description, Release 2024 R2. PŘEHLED POUŽITÝCH METOD: - MKP/GMNIA (ANSYS 2025) – výpočetní stanice Katedry stavební mechaniky (228): nelineární analýza s počátečními imperfekcemi (geometrie, tloušťkové tolerance), materiálové nelinearity (elastoplastické chování s vhodnou S-N křivkou), kontakt/spoj. - INVERZNÍ ANALÝZA – výpočetní stanice Katedry stavební mechaniky (228): určení materiálových parametrů na základě validace dat získaných při experimentech GAČR (náklady nenese SGS). Počet tlouštěk: 5, variace stáří plechů: 2. Celkový počet vzorků 60 ks. Data z 3D skenování (mračna bodů) budou využita k vytvoření tzv. „as-built“ modelů. Pomocí algoritmů pro rekonstrukci povrchu (plošná aproximace) bude reálná geometrie vzorků včetně výrobních imperfekcí transformována do geometrie konečněprvkového modelu. Tím bude zajištěno, že inverzní analýza materiálových parametrů nebude zkreslena geometrickými odchylkami reálných kusů. Geometrie clinch spoje není vždy naprosto stejná a může ovlivnit výsledné chování, což vede k potřebě scanování většího počtu vzorků a přenosu rozměrů a tvaru do numerického modelu. - PARAMETRICKÉ STUDIE – výpočetní stanice Katedry stavební mechaniky (228): systematická změna geometrie, různé stáří materiálů, stejné okrajové podmínky. Variace typů idealizace spojení a typů konečných prvků. Cca 50 variací. Pro modelování bude využito automatizované parametrické zadávání a optimalizace výpočetního výkonu. - 3D ŠABLONY – 3D tiskárny v Laboratoři 3D tisku Katedry stavební mechaniky (228): v souvislosti s řešením experimentů plánovaných pod hlavičkou projektu GAČR budou připraveny šablony pro spojovací procesy. Pro tyto šablony bude nutné vytvořit jednoduché numerické modely a provést základní deformační analýzu. HARMONOGRAM PRACÍ (LEDEN–LISTOPAD): LEDEN–ÚNOR: Rešerše literatury (Křistková); příprava základní geometrie (Drozdová); příprava okrajových podmínek (Gřešica). ÚNOR: Tisk 3D šablon pro přípravu experimentů (Juračka). BŘEZEN: Import a čištění mračen bodů ze skenů vzorků z GAČR (Mikstein) s využitím pro porovnání s výstupy numerických modelů (Ramaswami). DUBEN–KVĚTEN: GMNIA tahových zkoušek a inverzní analýza materiálových parametrů (Lehner, Gřešica). KVĚTEN: Aktivní účast kolektivu na konferenci Modelování v mechanice 2026 (Gřešica, Ramaswami, Drozdová, Mikstein, Juračka). KVĚTEN–SRPEN: - Příprava článku č. 1 o validaci modelů pro inverzní analýzu materiálových parametrů (Gřešica). - Práce na parametrické studii všech kombinací spojů (cca 50 variant) (Gřešica, Křistková, Drozdová). SRPEN: Příspěvek pro ICNAAM 2026 (Gřešica). ZÁŘÍ: Konference ICNAAM 2026 aktivní účast hlavního řešitele. ŘÍJEN: Příprava článku č. 2 o všech kombinacích spojů (Gřešica). LISTOPAD: Zaslání článku č. 2 (Gřešica). ZDŮVODNĚNÍ ZAPOJENÍ ČLENŮ TÝMU: Ing. Dominik Gřešica (Ph.D. student, hlavní řešitel) - Koordinace projektu, návrh a vedení GMNIA/MKP analýz v ANSYS, tvorba parametrických modelů spojů, inverzní identifikace materiálových parametrů, příprava článků a prezentací. Komunikace s týmem GAČR, kontrolovat dat o vzorcích, aktivní účast na dvou konferencích. - Přímá vazba na disertační práci „Globální statická analýza lehké ocelové haly se zaměřením na spoje nosných tenkostěnných prvků“. - Rozsah prací cca 400 h za dobu řešení, tedy cca 10,5 h/týden. Ing. arch. Ondřej Mikstein (Ph.D. student) - Zajištění a zpracování mračen bodů ze skenů vzorků po testech GAČR (mobilní skenování), předzpracování dat pro FEM modely, kontrola geometrických imperfekcí. Klíčovým úkolem bude extrakce statistických dat o imperfekcích, které budou následně použity jako vstupní parametry pro deterministické i stochastické GMNIA simulace prováděné hlavním řešitelem. - Nepřímá souvislost s doktorským tématem „Analýza pokročilých metod pro provádění pasportu pozemních komunikací“, které zahrnuje analýzu velkého množství dat. - Rozsah prací cca 57 h za dobu řešení, tedy cca 1,5 h/týden. Ing. arch. Barbora Křistková (Ph.D. studentka) - Rešerše tématu, kontrola modelů a textů konferenčních příspěvků a článků. - Vazba na disertační práci „Navrhování skleněných konstrukcí s kovovými komponenty vytvořenými pomocí 3D tisku“ s ohledem na řešení dle norem, numerické řešení a 3D tisk. - Rozsah prací cca 38 h za dobu řešení, tedy cca 1 h/týden. Ing. Ajayraj Ramaswami (Ph.D. student – kombinovaná forma studia EN) - Kontrola okrajových podmínek modelů, jazyková korektura článků. - Vazba na disertační práci „Numerická optimalizace konstrukce s využitím MKP a BIM modelu“ s ohledem na řešení optimalizace pomocí MKP. - Rozsah prací cca 38 h za dobu řešení, tedy cca 1 h/týden. Bc. Julie Drozdová (Mgr. studentka) - Příprava základní geometrie modelů v CAD, podpora tvorby parametrických studií, kontrola vstupních dat. - Přímá vazba na budoucí diplomovou práci „Detail napojení rámu z tenkostěnných za studena tvarovaných profilů“. - Rozsah prací cca 57 h za dobu řešení, tedy cca 1,5 h/týden. Ing. Petr Lehner, Ph.D. (akademický pracovník) - Koordinace s týmem GAČR, kontrola článků, vedoucí práce studentky Bc. Julie Drozdové, konzultace ohledně tvorby skořepinových a objemových modelů Ing. arch. David Juračka, Ph.D. (akademický pracovník) - 3D tisk šablon, kontrola modelů. prof. Ing. Martin Krejsa, Ph.D. (akademický pracovník, školitel hlavního řešitele). - Metodické vedení, odborná garance, kontrola kvality výstupů. ZDŮVODNĚNÍ PLÁNOVANÝCH FINANČNÍCH NÁKLADŮ: Celkový rozpočet: 299 000 Kč (zahrnuje režie pracoviště 10 %.) Osobní náklady – stipendia (celkem 131 000 Kč): Ing. Dominik Gřešica (Ph.D. student, hlavní řešitel) - 85 000 Kč - Koordinace projektu, návrh a vedení GMNIA/MKP analýz v ANSYS, tvorba parametrických modelů spojů, inverzní identifikace materiálových parametrů, příprava článků a prezentací, komunikace s týmem GAČR, kontrola dat o vzorcích, aktivní účast na dvou konferencích. - Rozsah prací za celou dobu cca 400 h (10,5 h/týden). Ing. arch. Ondřej Mikstein (Ph.D. student) - 15 000 Kč - Zajištění a zpracování mračen bodů ze skenů vzorků po testech GAČR (mobilní skenování), předzpracování dat pro FEM modely, kontrola geometrických imperfekcí, aktivní účast na konferenci. - Rozsah prací za celou dobu cca 57 h (1,5 h/týden). Ing. arch. Barbora Křistková (Ph.D. studentka) - 8 000 Kč - Rešerše tématu, kontrola modelů a textů konferenčních příspěvků a článků. - Rozsah prací za celou dobu cca 38 h (1 h/týden). Ing. Ajayraj Ramaswami (Ph.D. student – kombinované, EN) - 8 000 Kč - Kontrola okrajových podmínek modelů, jazyková korektura článků, aktivní účast na konferenci. - Rozsah prací za celou dobu cca 38 h (1 h/týden). Bc. Julie Drozdová (Mgr. studentka) - 15 000 Kč - Příprava základní geometrie modelů v CAD, podpora tvorby parametrických studií, kontrola vstupních dat, aktivní účast na konferenci. - Rozsah prací za celou dobu cca 57 h (1,5 h/týden). Materiál (celkem 24 300 Kč): - Tiskový materiál (13 500 Kč): zahrnuje tiskový filament pro 3D tisk šablon a případných ukázkových vzorků pro konference. - Obnova hardware (10 800 Kč): vylepšení výkonu pro stolní PC jednotlivých členů týmu. Drobný hmotný a nehmotný majetek (celkem 30 800 Kč): - 3D skener (18 000 Kč): pořízení přenosného 3D skeneru pro detailní digitalizaci objektů, reverzní inženýrství, prototypování a aditivní výrobu (3D tisk). - Úložiště dat (12 800 Kč): externí disky pro zálohování a přenos MKP dat, tedy výstupů z GMNIA analýz a parametrických studií. Služby (celkem 39 500 Kč): - Konferenční vložné – Modelování v mechanice 2026 (29 500 Kč): aktivní účast 5 členů týmu (prezentace výsledků parametrických studií, GMNIA analýz). 4 studenti a jeden akademický pracovník. - Konferenční vložné – ICNAAM 2026 (10 000 Kč): vložné pro mezinárodní konferenci International Conference of Numerical Analysis and Applied Mathematics – ICNAAM 2026, kde budou prezentovány výsledky projektu (článek v proceedings). Cestovní náhrady (celkem 43 500 Kč): - Modelování v mechanice 2026 (17 500 Kč): cestovné pro 5 účastníků dle pravidel SGS (aktivní účast). - ICNAAM 2026 (26 000 Kč): cestovné pro účastníka prezentujícího výsledky projektu na mezinárodní úrovni. Režie (29 900 Kč)

2026

2026

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

SGS

Specifický výzkum VŠB-TUO

Gřešica Dominik Ing.