Projekti / Programi
Konstruiranje celičnih struktur
01. januar 2017
- 31. december 2021
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.11.00 |
Tehnika |
Konstruiranje |
|
| 5.01.00 |
Družboslovje |
Vzgoja in izobraževanje |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T000 |
Tehnološke vede |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.03 |
Tehniške in tehnološke vede |
Mehanika |
| 5.03 |
Družbene vede |
Izobraževanje |
konstruiranje, celična gradiva in strukture, geometrijska karakterizacija, računalniško modeliranje in simulacije, eksperimentalno testiranje, integrirani inteligentni CAD sistemi, kognitivno e-učenje
Raziskovalci (25)
Organizacije (3)
Povzetek
Celični materiali in strukture se v vedno večjem obsegu uporabljajo pri gradnji sodobnih lahkih inženirskih konstrukcij zaradi svojih posebnih, večnamenskih lastnosti kot so nizka relativna gostota, učinkovito dušenje vibracij, visoka stopnja deformacije in absorbiranja mehanske energije, vzdržljivost pri dinamičnih obremenitvah in odpornost na utrujanje, visoka toplotna in zvočna izolativnost ipd. Njihove mehanske (trdnost, togost, vzdržljivost) in toplotne (toplotna prevodnost) lastnosti so v glavnem odvisne od vrste osnovnega materiala (kovinski ali nekovinski), celične morfologije (velikost in oblika celic, odprto- ali zaprto-celična struktura) in topologije (urejena ali neurejena porazdelitev celic) ter morebitnega polnila celic.
Inter-disciplinarna sestava članov raziskovalnega programa s komplementarnim vrhunskim znanjem bo v naslednjih šestih letih zasledovala skupni raziskovalni cilj, tj. izboljšanje postopkov konstruiranja in uporabnosti celičnih struktur v izdelkih naslednjih generacij na podlagi integriranega eksperimentalno-računalniškega inženiringa celičnih struktur. Raziskave bodo razdeljene na dva, medsebojno povezana dela. En del raziskav bo namenjen neporušni in porušni integrirani eksperimentalno-računalniški inženirski karakterizaciji obstoječih in novih celičnih struktur ter sistematičnemu določanju konstrukcijskih pravil za njihovo uporabo v inženirskih konstrukcijah. V ta namen bomo nadgradili in razvijali metodologije za kombinirano eksperimentalno-računalniško karakterizacijo RVE (Reprezentativnih Volumskih Elementov) celičnih struktur v smislu opredelitve njihovih geometrijskih značilnosti in obnašanja pri različnih obratovalnih režimih. Rezultati te raziskave bodo opredeljevali najprimernejše konstrukcijske parametre za uporabo celičnih struktur v inženirskih konstrukcijah.
Drugi del raziskav bo namenjen iskanju optimalnih celičnih struktur za doseganje določenih posebnih lastnosti (avksetičnost, porazdeljena poroznost ipd.) z uporabo namenskih 3D topološko optimizacijskih algoritmov na mikro- in mezo-ravni. Na novo zasnovane in optimirane celične strukture bodo izdelane z naprednimi tehnologijami slojevite izdelave in celovito karakterizirane z metodologijo prvega dela raziskav. Pridobljeno znanje bo nenehno uporabljeno za razvoj vzorčnih namenskih izdelkov.
Obsežne rezultate obeh delov raziskav nameravamo nadgraditi z njihovo sistematično ureditvijo in razvojem integriranih inteligentnih CAD sistemov za podporo inženirjem pri konstruiranju celičnih struktur. Načrtujemo tudi razvoj posebnega sistema e-učenja, ki bo temeljil na napredkih kognitivnih znanosti, za posredovanje znanja in razumevanja celičnih struktur inženirjem v praksi po vsem svetu z namenom povečanja ozaveščenosti o celičnih strukturah ter njihovi uporabnosti. Na ta način bomo prispevali k njihovemu hitrejšemu uvajanju v izdelke naslednje generacije.
Pomen za razvoj znanosti
Načrtovano raziskovalno delo programske skupine v prihodnjem obdobju je bistvenega pomena za razvoj znanosti iz več vidikov. Primarno zato, ker bo raziskovalno delo usmerjeno v obravnavo sodobnih celičnih struktur, ki se v vedno večjem obsegu uporabljajo v sodobnih inženirskih in drugih konstrukcijah. Razvoj sposobnosti napovedovanje odziva celičnih struktur pri različnih vplivnih dejavnikih ter optimizacije njihove strukture sta bistvenega pomena za njihovo obsežnejšo uporabo v prihodnje. Prepletanje več področij raziskovalnega dela je usmerjeno v doseganje mednarodno primerljivih raziskovalnih rezultatov, ki sledijo evropskim in svetovnim raziskovalnim trendom, v nekaterih ozirih (nadzorovana prostorsko spremenljiva poroznost) pa jih celo postavljajo.
Rezultati opisanega raziskovalnega programa bodo bistveno prispevali k napredku znanosti na področju geometrijske in mehanske karakterizacije celičnih struktur ter posledično vplivali na razvoj novih, naprednejših inženirskih konstrukcij. Tehnološki napredek na področju proizvodnje celičnih struktur bo v bodoče omogočal vse bolj nadzorovano morfologijo in topologijo celic, kar bo s pridom izkoriščeno za gradnjo optimalnih inženirskih in drugih konstrukcij. Razvoj novih, večslojnih kompozitnih konstrukcij s kontrolirano poroznostjo in izboljšanimi funkcionalnimi lastnostmi je skladen s svetovnimi trendi.
Na področju konstruiranja strojnih delov in konstrukcij iz celičnih struktur bodo v okviru raziskovalnega dela v naslednjih letih narejeni bistveni prispevki k znanosti z razvojem in izgradnjo namenskih preskuševališč za preskušanje celičnih struktur in posledičnega razvoja računskih modelov za napoved njihove nosilnosti, dobe trajanja in zanesljivosti. Pri tem bodo zaradi specifičnosti preskušanja celičnih struktur razvite različne nove metodologije in postopki, ki bodo prispevale k razvoju znanosti.
Splošno orodje za samodejno vrednotenje geometrijskih parametrov celičnih struktur bo predstavljalo izjemen napredek na področju analize tovrstnih struktur. Novo razviti računalniški geometrijski in simulacijski modeli celičnih struktur ter izvedba obsežnih parametričnih računalniških simulacij na zmogljivem HPC strežniškem sistemu bodo prispevali k natančnejšemu poznavanju njihovega obnašanja pod vplivom različnih dejavnikov, ki bodo nadalje služile za izdelavo konstrukcijskih priporočil. Ob ustrezni zasnovi inteligentnega podpornega okolja pričakujemo nova znanstvena odkritja tako na področjih aplikacije umetne inteligence, kar bo omogočilo nadaljnji razvoj aplikativnih rešitev na področju inženirskih ved.
Pomen za razvoj Slovenije
Rezultati raziskovalnega dela programske skupine bodo imeli velik pomen za regionalni in splošni razvoj stroke in inženirske prakse, saj bo z načrtnim prenosom znanja slovenskim podjetjem omogočen dostop do znanja in najsodobnejših orodij za razvoj novih izdelkov celičnih struktur, s čimer bodo bistveno povečala svojo konkurenčno sposobnost. Izvedene karakterizacije raznih celičnih struktur in izdelana konstrukcijska priporočila za njihovo uporabo v povezavi z razvitim modulno inteligentnim podpornim okoljem bodo omogočale hiter in stroškovno sprejemljiv način razvoja in ciljno vodenega konstruiranja kakovostnejši in inovativnih izdelkov z visoko dodano vrednostjo, predvsem na področju avtomobilske industrije. V okviru programske skupine bodo raziskovalno delovali tudi mladi raziskovalci, s čimer bomo prispevali k vzgoji in izobraževanju vrhunskih kadrov.
Z načrtovanim razvojem in usvojitvijo novih tehnologij izdelave celičnih struktur s spremenljivo poroznostjo v sodelovanju s programsko skupino bodo domači proizvajalci aluminijastih izdelkov postali strateški dobavitelj sodobnih aluminijastih celičnih izdelkov in polizdelkov. Podobno je pričakovati na področju proizvodnje raznih polimernih izdelkov ter tehničnih kompozitov, kjer je število potencialno zainteresiranih podjetij bistveno bolj obsežno.
Celične strukture z nadzorovano in optimalno izdelano topologijo in morfologijo celic je možno uporabiti tudi v medicini (npr. razni vsadki, oporni elementi ipd.), ki lajšajo težave starajočemu se prebivalstvu in prispevajo k aktivnemu staranju, kar je bistvenega pomena tako za slovensko kot tudi evropsko družbo. Dosedanji eksperimenti prav tako kažejo, da zapolnitev praznih prostorov v vozilu s celičnimi strukturami pripomore tudi k do dvakrat večji absorpciji deformacijske energije pri trku ob minimalni dodani masi, s čimer se posledično zmanjšajo pojemki potnikov v vozilu in se s tem poveča njihova varnost. Zaradi navedenega je raziskovalno delo, ki temelji na razvoju in karakterizaciji naprednih celičnih struktur tudi izjemnega družbenega pomena.
Vpetost programske skupine v mednarodne raziskovalne povezave prispeva k promociji Republike Slovenije v svetu in mednarodni delitvi raziskovalnega dela, ki ga na nekaterih področjih tudi usmerja (geometrijska karakterizacija in zahtevne računalniške simulacije celičnih struktur). Zaradi dosedanjega aktivnega raziskovalnega dela na področju celičnih struktur in vzpostavitve širokega multi-nacionalnega raziskovalnega sodelovanja programske skupine je v prihodnjih letih načrtovana organizacija primarne svetovne strokovno-znanstvene konference na področju celičnih struktur MetFoam v Sloveniji.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo
