Opracowano metodę elementów brzegowych (MEB) i program komputerowy do analizy tarcz z zamkniętymi rozgałęzionymi i przecinającymi się pęknięciami. MEB umożliwia proste i dokładne modelowanie pękniętych tarcz za pomocą elementów brzegowych. Siły kontaktowe między powierzchniami pęknięć są obliczane przy użyciu procedury iteracyjnej. Współczynniki intensywności naprężeń (WIN) są określane za pomocą całki niezależnej od konturu całkowania. Analizowano trzy przykłady numeryczne: pęknięcie w kształcie gwiazdy w kwadratowej tarczy, wiele oddziaływujących pęknięć w nieskończonej tarczy oraz losowo rozmieszczone i przecinające się pęknięcia w kwadratowej tarczy. Przykłady pokazują prostotę modelowania numerycznego, dokładność metody i możliwe zastosowania. Zbadano wpływ kierunku obciążenia, odległości między pęknięciami i kontaktu powierzchni pęknięć na WIN. Dla tarczy z losowo rozmieszczonymi pęknięciami, zastępcze własności sprężyste są dodatkowo obliczane poprzez uwzględnienie lub pominięcie kontaktu powierzchni pęknięć. Wyniki pokazują, że znaczenie procedury kontaktu zależy od sposobu obciążenia pękniętego materiału.
Fedeliński P., Analysis of closed branched and intersecting cracks by the boundary element method, Acta Mechanica, Volume 233, Issue 3, Page 1213-1230 (2022),
DOI: DOI10.1007/s00707-022-03158-x
Metoda Kansy jest dobrze znaną metodą rozwiązywania problemów opartych na równaniach różniczkowych cząstkowych. Niemniej jednak jest ona wciąż stosunkowo młoda, zwłaszcza w porównaniu z metodą różnic skończonych. W konsekwencji wciąż istnieje wiele problemów co do których nie ma pewności czy metoda Kansy jest odpowiednia do ich analizy. Przykładem takiego problemu sytuacji jest nieustalony hiperbolicznego przepływ ciepła opisany przez model Cattaneo-Vernotte'a w ośrodku o zmiennych przestrzennie parametrach termofizycznych wraz ze zmiennymi w czasie warunkami brzegowymi Neumanna lub w dziedzinie obliczeniowej o nieregularnym kształcie. W niniejszej pracy problemy tego typu rozwiązywano w dziedzinach jednowymiarowych oraz dwuwymiarowych za pomocą metody Kansy w tzw. sformułowaniu współczynnikowym. Przeprowadzone w artykule badania wykazały, że metoda Kansa z dużym prawdopodobieństwem nadaje się do rozwiązywania tego typu problemów. Uzyskano dobrą zgodność rozwiązania metody Kansy z metodą różnic skończonych, metodą elementów skończonych oraz rozwiązaniem analitycznym. W rozwiązaniu zaobserwowano również charakterystyczne cechy hiperbolicznego przepływu ciepła: opóźnienie strumienia ciepła w stosunku do temperatury, istnienie silnego tłumienia w układzie, intensyfikację amplitudy okresowych zmian temperatury i strumienia ciepła, przesunięcie fazowe w wahaniach temperatury. W artykule poruszono również problem doboru wykładnika radialnej funkcji bazowej typu multiquadric. Wykazano, że zalecane w literaturze wartości – 0.5 i 0.5 mogą być nieodpowiednie dla rozważanej klasy problemu. Wykazano również, że dla tej klasy problemu znacznie lepsze wyniki uzyskuje się stosując bardzo małe dodatnie wartości tegoż wykładnika.
Popczyk O., Dziatkiewicz G.; Kansa method for solving initial-value problem of hyperbolic heat conduction in nonhomogeneous medium, International Journal of Heat and Mass Transfer
Volume 183, Part A, February 2022, 122088, https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.122088
Nowoczesne materiały inżynierskie wykazują złożoną strukturę wewnętrzną, która decyduje o ich właściwościach. W przypadku metamateriałów termicznych konieczne jest kształtowanie przestrzennej zmienności ich parametrów termofizycznych w celu zapewnienia unikalnych właściwości kontroli strumienia ciepła. Modelowanie materiałów heterogenicznych, takich jak metamateriały termiczne, jest aktualnym problemem badawczym. To samo można powiedzieć o metodach bezsiatkowych które zyskują ostatnio coraz większą popularność. Głównym problemem przy stosowaniu nowych metod modelowania jest dobór ich optymalnych parametrów. Nie inaczej jest z metodą Kansy która jest obecnie uznaną metodą rozwiązywania problemów opisywanych równaniami różniczkowymi cząstkowymi. Istotnym i nierozwiązanym problemem związanym z tą metodą, utrudniającym jej popularyzację, jest dobór optymalnej wartości parametru kształtu radialnych funkcji bazowych typu multiquadric. Algorytm zaproponowany przez Fasshauera i Zhanga jest dzisiaj jednym z najpopularniejszych i najlepiej znanych algorytmów znajdowania dobrej wartości parametru kształtu dla metody Kansy. Okazuje się jednak, że dla pewnych klas problemów obliczeniowych nie sprawuje się najlepiej, np. w problemach jednowymiarowego przewodzenia ciepła w materiałach niejednorodnych. W pracy zaproponowano dwa algorytmy znajdowania dobrej wartości parametru kształtu, jeden oparty na analizie wskaźnika uwarunkowania macierzy interpolacyjnej oraz drugi będący modyfikacją algorytmu Fasshauera. Zgodnie z zastosowanymi w pracy miarami błędów, zaproponowane algorytmy dla rozpatrywanej klasy problemu dają wartości parametrów kształtu, które prowadzą do lepszych wyników niż klasyczny algorytm Fasshauera.
Popczyk O., Dziatkiewicz G.; Kansa Method for Unsteady Heat Flow in Nonhomogenous Material with a New Proposal of Finding the Good Value of RBF’s Shape Parameter, Materials 2021, 14(15), 4178, https://doi.org/10.3390/ma14154178
Niniejsza monografia poświęcona jest inteligentnemu projektowaniu konstrukcji jako nowemu rodzajowi projektowania opartego na inteligencji obliczeniowej. Proponowana metodologia oparta na inteligencji obliczeniowej posiada cechy heurystyczne oraz uczące typowe dla inteligencji naturalnej. Modele komputerowe konstrukcji są budowane w oparciu o metodę elementów skończonych, metodę elementów brzegowych lub sprzężenie tych metod. Książka zawiera 6 rozdziałów. W rozdziale 2 zawarto krótki opis możliwych dyskretnych modeli konstrukcji wykorzystujących te metody ww. metody numeryczne. W rozdziale 3 przedstawiono różne rodzaje inteligentnych podejść wykorzystujących sekwencyjne, równoległe, rozproszone, rozmyte i hybrydowe algorytmy ewolucyjne, immunologiczne i rojowe oraz obliczenia z wykorzystaniem sieci neuronowych. W rozdziale 4 rozważono różne rodzaje optymalizacji, takie jak optymalizacja kształtu, topologiczna, rozmiaru i materiału dla konstrukcji poddawanych statycznym i dynamicznym obciążeniom mechanicznym i termomechanicznym, struktur z pęknięciami i struktur kompozytowych. Uwzględniono również optymalizację wielokryterialną dla problemów sprzężonych. Przedstawiono kilka przykładów numerycznych ilustrujących tego rodzaju optymalizację dla struktur dwuwymiarowych i trójwymiarowych. Rozdział 5 jest poświęcony jest specjalnym problemom związanym z rozwiązywaniem zagadnień odwrotnych, w których nieznane są warunki brzegowe, defekty materiałowe, takie jak pustki lub pęknięcia oraz własności materiałowe. Książkę kończy rozdział zawierający uwagi końcowe oraz wnioski z przeprowadzonych badań.
Burczyński T., Kuś W, Beluch W., Długosz A., Sczepanik M., Poteralski A..; Intelligent Computing in Optimal Design, Solid Mechanics and Its Applications, Series Volume 261, Springer International Publishing 2020. https://doi.org/10.1007/978-3-030-34161-9
Artykuł pokazuje teoretyczną bazę dla analizy propagacji sprzężonych fal w ośrodku magnetoelektrosprężystym o heksagonalnej symetrii. Równania konstytutywne zawierają własności efektywne ośrodka jako modelu kompozytów piezoelektryczno-piezomagnetycznych. Zastosowano model Mori-Tanaki. Zastosowane równania to równania ruchu elastodynamiki i unikalne formy równań Maxwella dla pól elektromagnetycznych w ośrodku dielektrycznym. W rezultacie otrzymuje się zbiór 15 równań pierwszego rzędu, które są w pełni sprzężone; są to równania hiperboliczne wyrażone przez prędkości, składowe tensora naprężenia i natężenia pola eleketromagnetycznego jako niewiadome i składowe wektora stanu. Została przeprowadzona analiza strukturalna wprowadzonych równań, a ich hiperboliczność została formalnie udowodniona. Fizyka propagacji sprzężonych fal akustyczno-elektromagnetycznych jest w pełni opisana przez strukturę widmową macierzy opisujących rozważany układ równań. W szczególności, wartości własne głównego pęku macierzy to prędkości propagacji fal, a część lewych wektorów własnych to polaryzacja sprzężonych fal. Widmo głównego pęku macierzy ukazuje dwuskalową strukturę z przerwą między modami głównie elektromagnetycznymi i głównie akustycznymi. Analiza dynamiki układu w dwóch skalach czasowych również została przeprowadzona. Zidentyfikowano tzw. mały parametr, aby otrzymać dekompozycję układu w podukłady wolny i szybki. Tzw. podkukład wolny w modelu dwuskalowym czasowo został zidentyfikowany jako tzw. aproksymacja kwazistatyczna dynamiki ośrodka magnetoelektrosprężystego.
Dziatkiewicz G.; Hyperbolicity of velocity–stress–electromagnetic field equations for waves in anisotropic magnetoelectroelastic solids with hexagonal symmetry, Wave Motion
Volume 105, September 2021, https://doi.org/10.1016/j.wavemoti.2021.102767
Celem pracy jest opracowanie efektywnej czasowo i zapewniającej dużą dokładność metody estymowania nieliniowego zachowania się kompozytów wzmocnionych krótkimi włóknami. Nowatorskim aspektem zaproponowanego podejścia jest połączenie dwukrokowej hybrydowej metody homogenizacji z nowym sformułowaniem metody dyskretyzacji pseudo-ziarnami. Numeryczne rozwiązanie problemu ekwiwalentnej inkluzji jest realizowane w pierwszym kroku homogenizacji dla skończonej liczby pseudo-ziaren. Uzyskane rozwiązanie może być uogólnione na dowolny rozkład orientacji oraz udział objętościowy włókien podczas efektywnego czasowo drugiego kroku homogenizacji. Dokładność zaproponowanej metody została zweryfikowana w zakresie liniowo-sprężystym oraz sprężysto-plastycznym przez porównanie otrzymanych wyników z referencyjnymi rozwiązaniami uzyskanymi z zastosowaniem metod analitycznych i numerycznych znanych z literatury
Ogierman, W. A new model for time-efficient analysis of nonlinear composites with arbitrary orientation distribution of fibres, Composite Structures
Volume 273, 1 October 2021,
https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.114310
W pracy przedstawiono analizę numeryczną przepływu ciepła i masy zachodzącego w osiowosymetrycznej próbce chrząstki stawowej poddanej procesowi kriokonserwacji. W szczególności rozważano model dwuwymiarowy o nieprecyzyjnie określonych parametrach. Podstawę modelu przepływu ciepła stanowi przedziałowe równanie Fouriera uzupełnione o warunki początkowo-brzegowe. Zjawisko transportu krioprotektanta (Me2SO) przez macierz pozakomórkową opisuje przedziałowe równanie przepływu masy. Do kontroli temperatury zastosowano metodę śledzenia krzywej likwidus (LT, z ang. liquidus-tracking method), która pozwala uniknąć formowania się kryształów lodu niezależnie od szybkości chłodzenia i ogrzewania. W procesie LT temperatura stopniowo obniża się lub zwiększa podczas dodawania bądź usuwania krioprotektanta, natomiast stan chrząstki stawowej pozostaje na linii likwidus lub powyżej niej tak, aby nie powstały kryształy lodu, niezależnie od szybkości chłodzenia lub ogrzewania. Omawiany problem rozwiązano za pomocą interwałowej metody różnic skończonych z zastosowaniem reguł skierowanej arytmetyki przedziałowej. W końcowej części pracy przedstawiono przykłady obliczeń numerycznych. Uzyskane rezultaty symulacji numerycznej porównano z wynikami eksperymentalnymi, otrzymanymi dla parametrów określonych deterministycznie.
Skorupa, A., Piasecka-Belkhayat A.; Numerical Modeling of Heat and Mass Transfer during Cryopreservation Using Interval Analysis, Appl. Sci. 2021, 11(1), 302; https://doi.org/10.3390/app11010302
Artykuł pokazuje nowe formy rozwiązań podstawowych dla równań magnetoelektrosprężystości w przypadku trójwymiarowym. Przedstawiony w pracy stan wiedzy wskazuje, że rozwiązania podstawowe dla równań magnetoelektrosprężystości mają złożone formy, w szczególności rozważając zastosowania w metodzie elementów brzegowych. W pracy ośrodek magnetoelektrosprężysty to model kompozytów piezoelektryczno-piezomagnetycznych po procedurze homogenizacji. Wspomniany model otrzymano stosując podejście Mori-Tanaki znane z mikromechaniki. Tzw. aproksymacja kwazistatyczna dynamiki ośrodka jest zastosowana aby otrzymać zbiór równań różniczkowych cząstkowych składający się z hiperbolicznych równań ruchu i dwóch eliptycznych równań dla zasad zachowania ładunków elektrycznego i magnetycznego. Nowe podejście umotywowano pokazując analogię między odpowiedzią impulsową układu liniowego zwyczajnych równań różniczkowych, jest to podejście znane z klasycznej liniowej teorii sterowania, a rozwiązaniem podstawowym układu liniowych równań różniczkowych cząstkowych. Przestrzenna transformacja Fouriera zmienia sprzężonych układ równań hiperboliczno-eliptycznych magnetoelektrosprężystości w układ równań różniczkowo-algebraicznych w k-przestrzeni i czasie. Zamiast stosować klasyczne podejście eliminujące równania więzów dla statycznych potencjałów elektromagnetycznych, został wprowadzony tzw. wektor półstanu i otrzymano układ deskryptorowy o indeksie Kroneckera równym 1. Przeprowadzono analizę strukturalną otrzymanego układu oraz dokonano analizy regularnego i osobliwego pęku macierzy. Wprowadzone podejście umożliwia wyznaczenie powierzchni powolności dla modów głównie akustycznych w aproksymacji kwazistatycznej, co pokazano dla kompozytu 3-składnikowego. Dalej zastosowano metodę przesunięcia, aby otrzymać rozwiązanie ogólne równań półstanu jako analog rozwiązania w postaci impulsowej funkcji przejścia. Otrzymany rezultat stanowi bazę dla otrzymania nowych form rozwiązań podstawowych dla równań dynamiki ośrodka magnetoelektrosprężystego w przestrzeni trójwymiarowej, również jak wyprowadzona odpowiedź skokowa i rozwiązanie podstawowe dla stanu ustalonego dla tego ośrodka.
Dziatkiewicz G.; New forms of the fundamental solutions for 3D magnetoelectroelasticity equations, Applied Mathematical Modelling
Volume 91, March 2021, Pages 563-580
https://doi.org/10.1016/j.apm.2020.09.052
Analizowano pojedyncze naczynie krwionośne otoczone tkanką, w której znajduje się nowotwór. Uwzględniono wpływ techniki ogrzewania (np. ultradźwięki, mikrofale itp.) poprzez zadanie stałej temperatury w podobszarze nowotworu, wyższej od temperatury krwi i tkanki. Zarówno rozkład temperatury krwi w naczyniu krwionośnym jak i rozkład temperatury w podobszarze tkanki opisano równaniem energii z dwoma czasami opóźnień. Warunek brzegowy na powierzchni kontaktu między tymi obszarami oraz warunek Neumanna zostały również sformułowane przy użyciu rozszerzonego prawa Fouriera. Dotychczas w literaturze rozkład temperatury krwi w naczyniu krwionośnym opisywany był klasycznym równaniem energii. Zważywszy na niejednorodną strukturę krwi, zaproponowano wykorzystanie równanie z dwoma czasami opóźnień do opisu rozkładów temperatury w obu rozpatrywanych podobszarach. Sformułowany problem rozwiązano za pomocą niejawnego schematu metody różnic skończonych. Obliczenia przeprowadzono dla różnych wartości czasów opóźnień, zaczerpniętych z literatury oraz omówiono wpływ tych parametrów na otrzymane rozkłady temperatury.
Majchrzak, E.; Stryczyński M. Dual-phase lag model of heat transfer between blood vessel and biological tissue, Mathematical Biosciences and Engineering
2021, Volume 18, Issue 2: 1573-1589. doi: 10.3934/mbe.2021081
Kinetyka wymiany ciepła w twardniejącym betonie jest kluczowym zagadnieniem w praktyce inżynierskiej przy budowie masywnych konstrukcji betonowych. Modelowanie pola temperatury dla młodego betonu pozwala na właściwe sterowanie procesem budowlanym w celu minimalizacji gradientów temperatury, co ma szczególne znaczenie dla trwałości betonu. W pracy przedstawiono metodę identyfikacji parametrów termofizycznych betonu młodego betonu, takich jak przewodność cieplna, ciepło właściwe oraz ciepło generowane przez hydratację cementu w czasie. Sformułowano oraz zaimplementowano odpowiednie modele numeryczne dla nieustalonych problemów przewodzenia ciepła wykorzystujące metodę elementów skończonych. Modele te uwzględniały dwa rodzaje dwa rodzaje strat ciepła. Opracowane eksperymentalno-numeryczne podejście obejmowało pomiary temperatury w izolowanej rurze dla twardniejących próbek betonowych. Do rozwiązania zadania identyfikacji parametrów termofizycznych wykorzystana własna implementację algorytmu ewolucyjnego. Zastosowano parametryczne krzywe Beziera do modelowania funkcji źródła ciepła, co pozwoliło na identyfikację takiej funkcji jako gładkiej krzywej wykorzystującej niewielką liczbę parametrów. Zadania identyfikacji numerycznej rozwiązano dla danych doświadczalnych uzyskanych dla mieszanek betonowych różniących się rodzajem cementu i rodzajem kruszywa mineralnego. Wykazano skuteczność zaproponowanej metody. Zaproponowane podejście pozwala na identyfikację parametrów termofizycznych młodego betonu nawet dla mieszanek zawierających niestandardowe składniki.
Długosz A., Pokorska I., Jaskulski R. Glinicki M.A.; Evolutionary identification method for determining thermophysical parameters of hardening concrete, Archives of Civil and Mechanical Engineering volume 21, Article number: 35 (2021)
Celem pracy jest analiza zastępczych własności sprężystych kompozytów z losowo rozmieszczonymi cienkimi sztywnymi włóknami. Osnowa jest liniowo-sprężysta, jednorodna i izotropowa, a włókna są idealnie połączone z osnową. Dwuwymiarowe modele kompozytów są analizowane przy użyciu metody elementów brzegowych (MEB). Metoda ta wymaga podziału włókien i zewnętrznych brzegów tarczy na elementy brzegowe. Wielkości brzegowe są interpolowane za pomocą kwadratowych funkcji kształtu. Bezpośrednimi rozwiązaniami są: przemieszczenia i siły wzdłuż zewnętrznych brzegów, przemieszczenia włókien i siły oddziaływania między włóknami i osnową. W artykule przedstawiono trzy przykłady numeryczne: pojedyncze włókno w okrągłej tarczy, równomiernie rozmieszczone równoległe włókna oraz losowo rozmieszczone i zorientowane włókna w kwadratowej tarczy. Analizowany jest wpływ rozmieszczenia i orientacji włókien na zastępcze moduły Younga, współczynniki Poissona i moduły Kirchhoffa. Przykłady pokazują dokładność i skuteczność metody.
Fedeliński P., Effective elastic properties of composites with randomly distributed thin rigid fibres, Archive of Applied Mechanics, Volume 91, Issue 1, Page 135-149 (2020),
DOI10.1007/s00419-020-01758-4
Operacyjne monitorowanie obciążeń polega na pomiarze i zapisie w czasie rzeczywistym liczby i amplitudy odkształceń oraz naprężeń, którym poddana jest konstrukcja w czasie cyklicznych obciążeń w jej normalnym środowisku pracy. Celem jest wiarygodne przewidywanie pozostałego bezpiecznego czasu użytkowania struktury. Proces ten ma szczególne znaczenie w branży lotniczej, gdzie maksymalizacja czasu użytkowania komponentów, bez narażania bezpieczeństwa lotów, jest bardzo ważna. Czujniki odkształceń, np. tensometry, montowane są w miejscach struktury, gdzie spodziewane są spiętrzenia naprężeń i odkształceń. Jednakże, w przypadku gdy struktura poddawana jest obciążeniom o zmiennym charakterze i lokalizacji, podczas jej normalnej pracy, liczba miejsc w których dane powinny być zbierane znacząco rośnie. Głównym założeniem przedstawionym w niniejszej pracy jest zastąpienie dużej liczby czujników sztuczną siecią neuronową wyuczoną na bazie symulacji MES, aby przewidywała stan konstrukcji w jej najbardziej wytężonych punktach, na podstawie zaledwie kilku czujników. Dokładność modelu numerycznego powinna być sprawdzona eksperymentalnie, aby zapewnić poprawne przewidywania sieci neuronowej. Zaprezentowano przykład kompozytowego panelu z umocnieniami typu omega (typowa geometria wykorzystywana w branży lotniczej). Na podstawie modelu dokładnego modelu MES struktury nauczono sztuczną sieć neuronową, aby przewidywała stan całej struktury podczas różnego typu obciążeń, na podstawie odczytów z sześciu tensometrów. Sień neuronowa została przetestowana eksperymentalnie a wyniki potwierdziły poprawne działanie zaproponowanej metody.
Mucha W., Kuś W., Viana J.C., Nunes J.P.; Operational Load Monitoring of a Composite Panel Using Artificial Neural Networ, Sensors 2020, 20(9), 2534; https://doi.org/10.3390/s20092534
Artykuł poświęcony jest badaniom numerycznym i eksperymentalnym pola odkształcenia na poziomie faz dwufazowych materiałów kompozytowych wzmacnianych cząsteczkami. Celem badań jest porównanie wyników uzyskanych doświadczalnie i z zastosowaniem modelu komputerowego bazującego na koncepcji reprezentatywnego elementu objętościowego. Do eksperymentalnego wyznaczenia pełnego pola odkształcenia zastosowano metodę cyfrowej korelacji obrazu, analiza numeryczna została natomiast zrealizowana za pomocą metody elementów skończonych. Dodatkowo, w ramach badań, zastosowano nową metodę oceny możliwości zastosowania wzoru plamkowego do pomiarów realizowanych w skali mikroskopowej z zastosowaniem cyfrowej korelacji obrazu. Generalnie zaobserwowano dobrą zgodność wyników eksperymentalnych i numerycznych, jednakże zauważone zostały również pewne różnice pomiędzy uzyskanymi wynikami, które zostały omówione.
Ogierman, W.; Kokot G. Determination of Local Strain Distribution at the Level of the Constituents of Particle Reinforced Composite: An Experimental and Numerical Study, Materials 2020, 13(17), 3889; https://doi.org/10.3390/ma13173889
Celem pracy było opracowanie metod konstruowania łączonych elementów lusterka samochodowego. Elementy lusterka zostały wykonane z materiałów o różnym współczynniku rozszerzalności cieplnej. Badania były oparte na symulacjach numerycznych wykonanych w programie Moldex 3D. Zewnętrzna osłona lusterka jest wykonana z kompozytu węglowego na bazie żywicy epoksydowej a wewnętrzna wkładka - z ABS. Zastosowane wstępnie połączenie klejowe nie zapewniało odpowiednich właściwości i było powodem pęknięć w materiale. Po wykonaniu wstępnych testów numerycznych stwierdzono, że propagacja pęknięć występuje w miejscach styku frontów płynięcia materiału podczas procesu wtrysku. Główną jednak przyczyną pojawiania się pęknięć była różna rozszerzalność cieplna materiałów, z których wykonano elementy składowe lusterka, co wywołało w efekcie znaczne naprężenia w warstwie kleju. W wyniku testów numerycznych zaproponowano spełniające oczekiwania rozwiązanie problemu poprzez zmianę geometrii wkładki wykonanej z termoplastycznego tworzywa ABS.
Paździor, P.; Szczepanik M. Solving of Thermoplastic-Carbon Bonding Issue Using Numerical Simulations, Int. J. Automot. Technol. 2021 vol. 22 no. 2, pp.519-527,, https://doi.org/10.1007/s12239-021-0048-9
Celem operacyjnego monitorowania obciążeń są przewidywania dotyczące pozostałego czasu użyteczności danej struktury, co jest niezwykle ważne w branży lotniczej, gdzie czas życia komponentów samolotu może zostać wydłużony, nie zagrażając bezpieczeństwu lotów. Do tego typu przewidywań wykorzystuje się czujniki odkształceń przymocowane do danej struktury, które dostarczają danych podczas jej użytkowania. Pozwala to na określenie liczby cykli obciążeń, którym struktura została poddana. Ciągłe monitorowanie rozkładu odkształceń całej struktury może być trudne ze względu na zmienny charakter obciążeń. Czujniki powinny być zamontowane w miejscach gdzie występują spiętrzenia naprężeń oraz odkształceń, a tych miejsc może być zbyt dużo w przypadku zmiennych obciążeń. W niniejszej pracy zaimplementowano różne algorytmu uczenia maszynowego do przewidywania chwilowego współczynnika bezpieczeństwa konstrukcji w jej najbardziej wytężonym punkcie, na podstawie pomiarów odkształceń w niewielkiej liczbie punktów. W tym celu nauczono (korzystając z danych symulacyjnych) oraz oceniono efektywność (korzystając z danych otrzymanych w drodze eksperymentów) następujące modele predykcyjne: sieci ANFIS (adaptive neuro-fuzzy inference systems), maszyny wektorów nośnych (SVM), procesy gaussowskie do uczenia maszynowego (GPML). Zaproponowane metody porównano z wcześniejszą pracą, gdzie wykorzystano sztuczną sieć neuronową (ANN) do efektywnej redukcji liczby czujników podczas procesu operacyjnego monitorowania obciążeń. Przedstawiono ilościowe porównanie dokładności oraz czasu obliczeń (biorą pod uwagę ewentualne zastosowania czasu rzeczywistego) wszystkich z rozważanych metod.
Mucha W.: Comparison of Machine Learning Algorithms for Structure State Prediction in Operational Load Monitoring, Sensors 2020, 20(24), 7087; https://doi.org/10.3390/s20247087
Artykuł poświęcony jest teoretycznym badaniom pełnego pola odkształcenia na poziomie mikrostruktury materiałów kompozytowych z zastosowaniem metody cyfrowej korelacji obrazu. Głównym celem pracy jest zbadanie wpływu wielkości plamek na dokładność pomiarów pola odkształcenia na poziomie mikrostrukturalnym. Analiza z użyciem cyfrowej korelacji obrazu została przeprowadzona na podstawie sztucznych wzorów plamkowych wygenerowanych numerycznie, gdzie deformacja kompozytów została zasymulowana z zastosowaniem metody elementów skończonych (MES). Tego typu podejście daje możliwość porównania wyników cyfrowej korelacji obrazu zależnych od wielkości plamek z referencyjnym rozwiązaniem MES. Dodatkowo artykuł skupia się na odwrotnej identyfikacji stałych materiałowych dotyczących poszczególnych faz na podstawie pomiarów pola odkształcenia. Problem odwrotny został rozwiązany w oparciu o nową dwukrokową procedurę optymalizacji, która pozwala na zredukowanie jego złożoności. Możliwości oraz dokładność zaproponowanego podejścia zaprezentowano na podstawie analizy dwóch przykładowych mikrogeometrii reprezentujących mikrostruktury kompozytów wzmacnianych włóknami.
Ogierman, W.; Kokot G. Analysis of Strain Field Heterogeneity at the Microstructure Level and Inverse Identification of Composite Constituents by Means of Digital Image Correlation , Materials 2020, 13(2), 287; https://doi.org/10.3390/ma13020287
W onkologii, hipertermia jest rozumiana jako zaplanowana i kontrolowana technika podgrzewania zmian nowotworowych w celu zniszczenia ich komórek lub zatrzymania ich wzrostu. W praktyce klinicznej hipertermię stosuje się w połączeniu z radioterapią, chemioterapią lub terapią immunologiczną. Podczas zabiegu hipertermii tkanka biologiczna jest zazwyczaj poddawana oddziaływaniu temperatury w zakresie 40–45 °C, wyjątkiem jest termoablacja, podczas której temperatury osiągają znacznie wyższe wartości. Zabieg termoablacji charakteryzuje się zastosowaniem wysokich temperatur, nawet do 90°C. Elektrodę generującą prąd elektryczny o częstotliwości radiowej wprowadza się w centralny obszar guza. Termoablacja śródtkankowa (śródmiąższowa) stosowana jest w leczeniu m.in. raka piersi i mózgu. Terapia ta polega na wywołaniu efektu martwicy tkanek w obszarze podgrzanym do bardzo wysokich temperatur. Modelowanie matematyczne bazuje na sprzężonym modelu termoelektrycznym, w którym pole elektryczne jest opisane równaniem Laplace'a, natomiast pole temperatury jest oparte na równaniu Pennesa. Sprzężenie tych pól występuje na poziomie dodatkowej funkcji źródła w równaniu Pennesa, wynikającej z oddziaływania pola elektrycznego. Uzyskane w ten sposób pole temperatury umożliwia obliczenie całki Arrheniusa jako wyznacznika destrukcji tkanki biologicznej. W wyniku przeprowadzonych symulacji numerycznych związanych z wyznaczeniem pola temperatury i wartości całki Arrheniusa, można stwierdzić, że za pomocą narzędzi numerycznych i modelowania matematycznego możliwe jest symulowanie procesu zniszczenia tkanki nowotworowej.
Paruch, M:.Mathematical Modeling of Breast Tumor Destruction Using Fast Heating during Radiofrequency Ablation , Materials 2020, 13(1), 136;; https://doi.org/10.3390/ma13010136
Praca dotyczyła zastosowania algorytmu IMGAMO (immune game theory multiobective algorithm) w optymalnym projektowaniu mikroaktuatorów elektrotermicznych. Przeprowadzono szereg testów numerycznych na matematycznych funkcjach testowych, wykazując wyższość IMGAMO, przy dużej liczbie kryteriów, w porównaniu z innymi heurystycznymi algorytmami optymalizacji wielokryterialnej. Opracowano i zweryfikowano parametryczny model numeryczny mikroaktuatora elektrotermicznego. Zaproponowano, sformułowano i zaimplementowano numerycznie sześć funkcji celu, które wyznaczane były na podstawie wielkości termicznych i mechanicznych mikroaktuatora. Funkcjonały te reprezentują rzeczywiste wymagania stawiane mikroaktuatorom. W pracy zamieszczono przykłady numeryczne optymalizacji wielokryterialnej modelu aktuatora elektro-termicznego typu „chevron”. Ponadto zaprezentowano sposób wizualizacji wielowymiarowych frontów Pareto przy użyciu sztucznych sieci neuronowych Kohonena (mapy samoorganizujące SOM). W pracy pokazano praktyczne przykłady sposobu wyboru interesujących, kompromisowych rozwiązań zaproponowana metodą.
Długosz, A.; Jarosz, P.; Schlieter, T. Optimal Design of Electrothermal Microactuators for Many Criteria by Means of an Immune Game Theory Multiobjective Algorithm, Applied Sciences 2019, 9, 4654, https://doi.org/10.3390/app9214654
Rozważono procesy termiczne w obszarze cienkiej warstwy metalowej poddanej działaniu ultrakrótkiego impulsu laserowego. Opis matematyczny omawianego procesu oparty jest na układzie czterech równań. Dwa z nich opisują elektrony i temperaturę sieci, natomiast trzecie i czwarte równanie reprezentują uogólnione prawo Fouriera, czyli zależności między strumieniem ciepła elektronów (sieci) a gradientem temperatury elektronów (sieci). W uogólnionym prawie Fouriera strumienie ciepła są opóźnione w stosunku do gradientów temperatury, co w konsekwencji powoduje pojawienie się w odpowiednich równaniach pochodnych czasowych strumieni ciepła. W zależności od rzędu rozwinięcia uogólnionego prawa Fouriera w szereg Taylora można otrzymać model pierwszego i drugiego rzędu. W przeciwieństwie do powszechnie stosowanego modelu pierwszego rzędu, tutaj proponuje się model dwutemperaturowy drugiego rzędu. Problem rozwiązano za pomocą niejawnego schematu metody różnic skończonych. Przedstawiono również przykłady obliczeń. Okazuje się, że dla niskich natężeń lasera wyniki uzyskane za pomocą modeli pierwszego i drugiego rzędu są bardzo podobne.
Majchrzak, E.; Dziatkiewicz J. Second-order two-temperature model of heat transfer processes in a thin metal film subjected to an ultrashort laser pulse, Arch. Mech. 71 (4-5), 377-391, 2019, DOI: 10.24423/aom.3131
W pracy rozważano procesy wymiany ciepła zachodzące w dwu-warstwowym mikroobszarze, poddanym działaniu ultrakrótkiego impulsu laserowego. Problem opisany jest układem równań różniczkowych uzupełnionych o odpowiednie warunki brzegowe i początkowe z uwzględnieniem przy uwzględnieniu modelu z czasami opóźnień. Idealny warunek kontaktu na granicy warstw w przypadku modelu uwzględniającego czas opóźnień sformułowany jest w sposób alternatywny do makroskopowego modelu Fouriera przewodzenia ciepła. Do rozwiązania tego problemu wykorzystano metodę elementów brzegowych. W pracy przedstawiono przykłady obliczeń numerycznych dla zaproponowanej metody.
Majchrzak, E.; Turchan Ł.
Modeling of laser heating of bi-layered microdomain using the general boundary element method, Engineering Analysis with Boundary Elements, 108 (2019) 438–446,
DOI: 10.1016/j.enganabound.2019.09.005
© Politechnika Śląska
Ogólna klauzula informacyjna o przetwarzaniu danych osobowych przez Politechnikę Śląską
Całkowitą odpowiedzialność za poprawność, aktualność i zgodność z przepisami prawa materiałów publikowanych za pośrednictwem serwisu internetowego Politechniki Śląskiej ponoszą ich autorzy - jednostki organizacyjne, w których materiały informacyjne wytworzono. Prowadzenie: Centrum Informatyczne Politechniki Śląskiej (www@polsl.pl)
Zasady wykorzystywania „ciasteczek” (ang. cookies) w serwisach internetowych Politechniki Śląskiej
„E-Politechnika Śląska - utworzenie platformy elektronicznych usług publicznych Politechniki Śląskiej”
