Skupina Matematicko-fyzikální modelování vznikla již v počátcích fungování centra RICE. Činnost skupiny lze rozdělit do tří oblastí.
První základní činností týmu je výzkum a vývoj nových metod řešení fyzikálních polí a implementace algoritmů pro optimalizace a umělou inteligenci. V rámci této činnosti se členové týmu podílejí na vývoji dvou volně šiřitelných softwarových projektů pro řešení fyzikálních polí metodou konečných prvků a robustní návrh algoritmů: programu Agros Suite a frameworku Artap. Zkušenosti získané při realizaci těchto dvou velkých projektů jsme schopni využít při realizaci softwarových projektů na zakázku.
Druhou důležitou oblastí je modelování složitých multifyzikálních úloh. Odborníci řeší tyto úlohy v řadě profesionálních programů - ANSYS, COMSOL Multiphysics, CST Studio Suite, MATLAB a SIMULINK. Provádí výpočty v oblasti elektromagnetického pole, strukturální mechaniky, teplotního pole, proudění, akustiky a vysokofrekvenční techniky, stejně jako návrhy elektrických strojů, tepelné výpočty, výpočty rozběhových charakteristik strojů, analýzy provozních stavů.
Třetí oblastí je vývoj softwaru a virtuální realita. V této oblasti se nám daří zužitkovat zkušenosti z dílčích projektů a specializovaný software tak uzpůsobit nejen přání klienta, ale i potřebám dané aplikace. Členové týmu fungují nejen jako aktivní programátoři, ale také jako mentoři pro danou technickou problematiku. Oblast virtuální reality je v poslední době velmi perspektivní, společně s vývojem digital-twins (digitálních dvojčat) poskytuje zákazníkům možnost zachování vizualizace, kontroly nad procesy, ale značnou úsporu ve fázi vývoje a testování. Naší snahou je propojení virtuální reality (VR) se stávajícími zkušenostmi z praxe a dosažení věrného chování systém v maximální možné míře.
Skupina Matematicko-fyzikální modelování a technické výpočty nabízí:
- výpočty v elektrotepelné technice, návrh indukčního, dielektrického a laserového ohřevu,
- tepelné výpočty ve stavebnictví,
- analýzu pohybu nabitých částic v elektromagnetickém poli (elektrostatická separace, elektronová mikroskopie, problémy vysokého napětí, dynamický model korony),
- modelování elektromagnetických polí v profesionálních programech,
- simulaci a analýzu dynamických systémů,
- modelování akustických polí,
- diagnostiku elektrických strojů na základě měření a kalibraci počítačového modelu,
- návrh elektrických strojů a přístrojů
- výpočty proudění vzduchu, ventilační výpočty, sdružené tepelně–ventilační výpočty, optimalizaci ventilačních obvodů, návrh ventilátorů
- analýzu elektrických strojů za pomoci analytických i numerických výpočetních metod.
Teoretická a praktická využitelnost
Činnost a vybavení týmu je možné využít v základním i aplikovaném výzkumu a vývoji. Výpočty se uplatní při vývoji a optimalizaci nových zařízení, kde nahrazují experimenty. Matematicko-fyzikální modelování se využívá i v případě nákladných, nebezpečných nebo obtížně proveditelných experimentů.
Jednou z hlavních činností skupiny Modelování je vývoj vlastních softwarových prostředků určených pro řešení komplexních technických problémů. Jedná se zejména o program Agros Suite, který řeší problémy popsané pomocí parciálních diferenciálních rovnic. Agros2D je založen na knihovně deal.II. Jsou implementovány různé druhy analýz (ustálený stav, přechodový děj, harmonická analýza) pro rozličná fyzikální pole (elektrostatické, magnetické, proudové, teplotní a pole elastických deformací). Důležitou vlastností je, že jednotlivá pole lze vzájemně sdružovat, a řešit tak komplexní technické problémy. Program je možné použít i pro výpočty z oblasti akustiky a proudění.
Projekty v rámci Agros Suite se snaží vytvořit dostatečně univerzální nástroj, který může být využit pracovníky univerzit i jinými zájemci o provádění praktických výpočtů. V současné době je systém využíván jako nástroj při výzkumu na univerzitách či při výuce, stejně jako několika firmami pro vývoj komerčních zařízení. V budoucnu by se měl stát jedním z nástrojů, jenž bude použitelný k firemním výpočtům. Výhodou oproti běžně používaným komerčním aplikacím je možnost přidání nových modulů (na míru) pro konkrétní požadované aplikace.
Framework Artap je nezávislou nadstavbou pro implementaci algoritmů pro optimalizace či citlivostní analýzy. Jeho předností je možnost využití stávajících numerických modelů ať již z vlastního softwaru Agros Suite či profesionálních softwarů jako například COMSOL Multiphysics. Artap se stará jen o samotný algoritmus optimalizace a numerický model využívá jen jako nástroj pro zpětnou vazbu a vlastní výpočet.
V oblasti výpočtů a modelování fyzikálních polí se zabýváme modelováním magnetických polí elektrických strojů, teplotními výpočty elektrických strojů, výpočty proudění a ventilace. Spolupracujeme na teplotních výpočtech při indukčním a laserovém zpracování kovů. Část týmu se zabývá výpočty akustických polí a spolupracuje při návrhu difuzorů.
Modelování fyzikálních polí má díky své abstrakci široký přesah do různých aplikací. Reálné problémy z rozličných oblastí lze často popsat obdobným matematickým modelem a řešit tak pomocí stejných algoritmů, což je pro praxi jedna z dalších výhod. Numerické modelování je vždy zatížené určitou nepřesností danou zjednodušením komplexního fyzikálního problému. Proto je ideální kombinace modelu jako nástroje se snadnou variabilitou a reálného experimentu pro kalibraci a validaci výsledků.
Z aplikací, které jsme řešili takto uceleně včetně ověření a finální realizace lze zmínit například:
Minirobotické systémy
Pomocí miniaturních magnetů a systému cívek jsme schopni vytvářet roboty o velikostech jednotek milimetrů. S těmito roboty jezdíme v ploše a vozíme nebo tlačíme různé objekty. Velikou výhodou tohoto systému je obrovská nosnost těchto robotů (přes 4000% své váhy). V tomto projektu se řeší několik základních problémů: lokalizace minirobotů, nezávislý paralelní pohyb více robotů, dát robotu přidané funkce - možnost základní autonomie, spojování robotů, atp.
Elektrostatická separace
Pomocí vysokého napětí jsme schopni rozdělovat částice s rozdílným nábojem. Vyvinuli jsme tedy systém, který je v průmyslu schopen zpracovat až půl tuny směsi za hodinu. V současné chvíli máme čistotu některých směsí po separací 99%. Vývojem se zabýváme dále a snažíme se vyvíjet kompaktnější řešení s možným vyšším průtokem.
FlyOnVision
Cílem projektu je vyvinout pokročilý hardwarový simulátor padákového kluzáku se zpětnou vazbou v ovládacích prvcích s podporou virtuální reality. Zásadně se tím mění možnosti tréninku paraglidingu ve výcvikových střediscích, kde začínající i aktivní piloti budou mít možnost bezpečně cvičit nestandardní letové stavy. Simulátor zvyšuje bezpečnost a připravenost pilotů při tréninku i po něm. Dokáže věrně simulovat stavy způsobené pilotními chybami, které vedou k vážným úrazům.
Systém na rozpoznávání obrazu pomocí neuronové sítě.
Cílem projektu je návrh metody rozpoznávání obrazu. Hardwarové komponenty jsou pokaždé voleny s důrazem na spolehlivost a odolnost nepříznivých vlivů počasí. Nutností je vždy provést selekci a čištění trénovacích dat, jejich kategorizaci a zpracování. Je prováděn výzkum vhodného natrénování rozpoznávacího algoritmu, testování vhodné konfigurace systému, výběr a testování vhodné HW platformy. Důležitá je také optimalizace systému z hlediska velikosti a výkonu.
Vývoj vlastní platformy na tisk kovu
V rámci projektu byla vyvíjena tiskárna na kov na principu navařování. Konkrétně laserového nanášení práškového kovu. Modelování zde sehrálo klíčovou roli pro stabilizaci projektu. Pomocí numerického modelu lze “otestovat” široké spektrum vstupních parametrů a získat tak potřebnou informaci, jak proces nadefinovat, aby byl výsledek v požadované kvalitě a omezilo se tak drahé obrábění, či dokonce chybovost tisku.
Tento výčet zdaleka není kompletní. Matematické modelování je pro partnery velmi atraktivní nástroj a ve formě menších projektů či smluvního výzkumu je čím dál žádanější. Jen přehledově jsme zkušenosti mohli využít v následujících projektech - design tvaru induktoru pro různé aplikace pájení, vývoj inteligentních ventilů, v oblasti palivových článků a elektrochemie, rozpoznávání registračních značek (zde šlo převážně o algoritmy na bázi neuronových sítí a umělé inteligence) a řadě dalších.
