Praktyczne zastosowanie symulacji i modelowania – rozmowa z dr. inż. Pawłem Fudali z Katedry Konstrukcji Maszyn Politechniki Rzeszowskiej (Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa) Politechniki Rzeszowskiej, adiunktem w grupie pracowników badawczo-dydaktycznych
Canva & DALL-EGdy czytamy o modelach ortez lub implantów opracowanych w formie cyfrowej i wykonanych za pomocą druku 3D, wyobrażamy sobie precyzyjne prace powstające w oparciu o geometrię ciała człowieka. Jak jednak najlepiej zdefiniować przebieg badań realizowanych na płaszczyźnie numerycznej oraz eksperymentalnej przy użyciu specjalistycznego oprogramowania, z zastosowaniem metody elementów skończonych*? Tym m.in. zajmuje się nasz rozmówca, dzieląc się swoją pasją ze studentami i pokazując, że w dzisiejszym świecie automatyka idzie w parze z branżą IT, a świat liczb, a także symulacji komputerowych, wspiera niestrudzenie takie sektory jak medycyna czy budowa maszyn.
Co jest potrzebne, by przeprowadzić badania z zakresu modelowania?
Wszystko zależy od stopnia skomplikowania badanego zjawiska albo od złożoności danego urządzenia. W przypadku np. ortez ortopedycznych konieczne było – poza realizacją odpowiednich symulacji – użycie folii naciskowych, dzięki którym sprawdzaliśmy wartość nacisków ortez na ciało człowieka. A wytrzymałość stworzonych modeli testowaliśmy poprzez wprowadzenie różnych przyłożonych obciążeń.
Jak wyglądały Twoje początki na uczelni, skąd pomysł na rozwijanie się w takiej specjalizacji?
Trochę zadziałał przypadek, bo gdy zdeklarowałem się jako osoba chętna do podjęcia pracy naukowej, najpierw dostałem informację, że nie jest to zbyt dobrze opłacany zawód /śmiech/. Ale nigdy nie goniłem za ogromnymi zarobkami, za karierą na wysokim szczeblu, więc niezrażony oraz wciąż bardzo zainteresowany dalszym rozwojem w obszarze robotyki i automatyki, szukałem dla siebie miejsca na Politechnice. Zaproponowano mi współpracę z zespołem działającym w dziedzinie inżynierii w medycynie.
I tak trafiłem pod naukową opiekę dra hab. Sławomira Miechowicza. Zacząłem „działać na terenie biomechaniki”. Mój opiekun jest osobą poruszającą się na wózku inwalidzkim, wspólnie więc prowadziliśmy badania dotyczące modelowania ciała człowieka na potrzeby projektowania inżynierskiego.
W naszej pracy przedstawiliśmy sposób modelowania ludzkiego ciała w celu wykonania symulacji MES rozkładu nacisków na elementy siedziska. Stworzyliśmy model CAD z uwzględnieniem wewnętrznych cech anatomicznych (tj. kości). Zbierałem w ten sposób swój materiał do pracy doktorskiej, zaczęliśmy też zgłaszać nasze wynalazki do Urzędu Patentowego.
O jakich wynalazkach mowa?
Jednym z wynalazków zgłoszonym przez nas jest np. urządzenie do biopsji kości z wymiennymi końcówkami. Opatentowaliśmy również zawieszenie do wózków inwalidzkich z ulepszoną amortyzacją, testowaną podczas jazdy po różnych nawierzchniach. Pracowaliśmy także nad wózkiem sterowanym ustami dla osób z porażeniem czterokończynowym oraz nad kołem do wózka – wyposażonym w redukcję drgań.
Bez wątpienia rozwiązaniem – wciąż cieszącym się dużym zainteresowaniem rynku – jest rampa wysuwana z podłoża. Urządzenie to umożliwia wjazd wózków inwalidzkich do miejsc trudno dostępnych, przy których – z różnych powodów logistyczno-urbanistycznych – nie można zbudować tradycyjnego podjazdu. Pomysł na rampę kupiła jedna z dużych firm i produkt trafił do sprzedaży.
źródło: Archiwum prywatneTargi w Brukseli, 2014 r. Model klękosiadu połączonego z wózkiem inwalidzkim.
Do Biura Patentów zgłosiliśmy też krzesło – coś w rodzaju klękosiadu połączonego z wózkiem inwalidzkim. Makietę urządzenia (stworzoną w 3D) prezentowaliśmy podczas targów w Genewie i w Brukseli – oprócz modelu wózka przygotowaliśmy prezentację dotyczącą naszych wyliczeń oraz zastosowanych innowacji.
Przy stoisku zatrzymywało się wówczas wiele zainteresowanych tematem osób – wystawców i uczestników targów, co upewniło mnie, że po pierwsze: na podstawie przemyślanego modelu można w pełni pokazać efekty długotrwałych badań oraz wyliczeń i po drugie: że język angielski to podstawa w komunikacji na tego rodzaju imprezach /uśmiech/.
Czytam zagraniczne publikacje, analizuję materiały anglojęzyczne, ale jeśli chce się być osobą aktywną w środowisku akademickim, to poza zdobywaniem aktualnej wiedzy technicznej, należy też używać angielskiego na co dzień, operując branżowym słownictwem. W pisaniu i w tłumaczeniu fachowych tekstów pomaga nam często AI, ale już żeby nawiązać bezpośrednie kontakty zagraniczne, trzeba umieć rozmawiać, argumentować, opisywać… I do tego zachęcam swoich studentów.
źródło: Archiwum prywatneTargi w Brukseli, 2014 r. Z dr. hab. Sławomirem Miechowiczem.
Jakimi jeszcze cechami powinien kierować się ktoś, kto widzi siebie w świecie modeli i symulacji?
Nie można odpuszczać. Trzeba zawzięcie drążyć dany temat, nie uznawać, że jest jedna właściwa interpretacja otrzymanych wyników. I warto też siąść do pisania swoich artykułów – tu akurat mam trochę zaległości, więc niebawem biorę się za tworzenie specjalistycznych tekstów, opartych o moje doświadczenie z symulacjami /śmiech/.
Czym zatem są te osławione symulacje, jakie mają praktyczne zastosowanie?
Pracując na Politechnice Rzeszowskiej, mam kontakt z różnymi zespołami naukowymi. Wzajemnie zapraszamy się do współpracy, a do mnie trafiają prośby o pomoc w dostarczeniu obliczeń pozyskanych za pomocą MES, tj. za pomocą metody elementów skończonych. Ta metoda jest implementowana w różnego rodzaju programach – a ściślej: u różnych producentów oprogramowania.
System MES umożliwia przeprowadzenie symulacji wytrzymałościowej, przepływów itp. Inne zespoły korzystają z tych wyników. Dzięki temu, że pracujemy na zaawansowanym technicznie sprzęcie, otrzymujemy dane w dość krótkim czasie, ale to nie koniec „naukowej aktywności”.
Trzeba wiedzieć, jak przygotować modele obliczeniowe i co najważniejsze – gruntownie sprawdzić końcowe wyliczenia. Bo przy symulacjach istnieje ryzyko pomyłki i można uzyskać wyniki fizycznie pozbawione sensu. Niezwykle ważna jest znajomość modelowanego zagadnienia fizycznego, jak również świadomość zasad jakimi rządzą się symulacje numeryczne wykorzystujące metodę MES. Należy więc trzymać rękę na pulsie i nie dać się zwieść pierwszym otrzymanym wynikom, tylko dokładnie je weryfikować.
źródło: Archiwum prywatneTargi w Brukseli, 2014 r. Wizyta Pierwszej Damy, Anny Komorowskiej.
Co do praktycznych zastosowań symulacji: sprawdzają się one np. jako zamiennik crash testów w motoryzacji – redukują koszty tworzenia prototypów do badań, bo pierwsze testy przeprowadzamy w środowisku wirtualnym. Symulacje wspierają także branżę medyczną, lotniczą, budowlaną. Można nimi sprawdzić maksymalne obciążenie konstrukcji dachu albo odwrotnie – zredukować masę własną np. betonomieszarki samochodowej tak, by sam pojazd był lżejszy niż przy standardowych konstrukcjach, a jego pojemność transportowa pozostała bardzo duża. Wiele firm szuka takiej redukcji kosztów, proponowane przez nas rozwiązania nie są jednak oczywiste – „książkowe”, wymagają za to długich godzin wyliczeń oraz analiz.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
| Czym jest MES (Metoda Elementów Skończonych)? |
| To numeryczna metoda rozwiązywania równań różniczkowych cząstkowych (PDE), używana do symulacji zjawisk fizycznych i inżynieryjnych. Polega na podziale obszaru problemu na mniejsze elementy, a następnie rozwiązywaniu równań w tych elementach i łączeniu ich wyników. |
A nad jakim ciekawym projektem obecnie pracujesz?
Aktualnie współpracuję z zespołem, który jest na etapie składania projektu do Narodowego Centrum Nauki – projekt ma dotyczyć rekonstrukcji geometrii oczodołu ludzkiego. Przy tego rodzaju zadaniach współpracuję ściśle z lekarzami specjalizującymi się w danej dziedzinie: ortopedii, neurologii itd. Ważna jest komunikacja oraz znalezienie wspólnej płaszczyzny działań, czyli po prostu ustalenie czemu ma służyć praca na liczbach, o jakie wyniki zabiegamy.
źródło: Archiwum prywatneTargi w Genewie, 2015 r. Przyznanie srebrnych medali za prezentowane wynalazki.
Mam już doświadczenie w pracy nad testowaniem wytrzymałości implantu stawu kolanowego – razem z kolegą z uczelni spędziliśmy mnóstwo czasu pochyleni nad tzw. problemem numerycznym, nad sprawdzeniem i porównaniem różnych wariantów naszych badań.
Z pewnością symulacje stanowią ogromne wsparcie w dziedzinie projektowania, gwarantują oszczędność dla przedsiębiorstw, które korzystają z technologii MES. Potrzeba w Polsce specjalistów z tego zakresu – badaczy, którzy w pełni zrozumieją istotę działania systemów do przeprowadzania symulacji i znajdą dla nich kolejne obszary aktywności. Czego życzę zarówno naukowcom, konstruktorom, jak i firmom prywatnym.
Od domowego warsztatu do międzynarodowych konferencji
Jak się zostaje pracownikiem badawczo-naukowym, którego zajęcia cieszą się niesłabnącą popularnością wśród studentów Politechniki?
/śmiech/ Nieustannie mnie to zastanawia, ale rzeczywiście – miejsca do mnie, jako promotora prac studentów, rozchodzą się jak ciepłe bułeczki, pewnie to zasługa poruszanej tematyki i praktycznego zastosowania symulacji. Młodzi ludzie widzą swoją zawodową przyszłość w tym obszarze.
Cieszę się też, bo z ankiet przeprowadzanych wśród studentów naszej uczelni, wynika, że prowadzone przeze mnie zajęcia są interesujące, podobają się uczestnikom... Staram się więc nie obniżać poziomu! /śmiech/
Jeśli chodzi z kolei o moją (bardzo wczesną) młodość, to podstawowym pytaniem, jakie sobie zadawałem, było „Jak to działa?”– kolekcjonowałem magazyny dla nastolatków, o takim właśnie tytule. Do tych magazynów dołączane były płyty CD z animacjami pokazującymi zasady funkcjonowania różnych urządzeń, np. śmigła samolotowego. I z tym pytaniem o przyczyny działania dorastałem, zadając je najpierw w IV LO w Rzeszowie, potem na studiach, gdzie poza rozwijaniem zagadnień typowo ścisłych, odkryłem też w sobie umiejętności dydaktyczne…
Otóż w ramach tzw. nieoficjalnej kooperacji wraz z kolegami wymienialiśmy się informacjami, posiadaną wiedzą i dość szybko wyszło, że umiem tłumaczyć nawet najbardziej zawiłe zagadnienia… Pewnie przydały się lekcje j. polskiego i historii z czasów szkoły średniej, gdy nam – typowym ścisłowcom – nauczycielki przedmiotów humanistycznych nie odpuszczały i musieliśmy umieć budować wypowiedzi ustne na wysokim poziomie /śmiech/.
źródło: Archiwum prywatneTargi w Genewie, 2015 r.
W każdym razie mniej więcej na trzecim – czwartym roku studiów poczułem, że mógłbym dzielić się wiedzą zawodowo: zwłaszcza z obsługi programu CAD, z analizy wytrzymałości, wreszcie – z modelowania, projektowania, konstrukcji maszyn. Od władz uczelni dostałem „zielone światło”, by zostać pracownikiem naukowym, ale poza uczeniem innych, sam staram się cały czas rozwijać, nadążać za branżowymi zmianami. Stąd moje wyjazdy na konferencje, zagraniczne targi i sympozja, gdzie mam okazję poznać konstruktorów, badaczy. Uznaję zasadę, że dydaktyk uczy przede wszystkim siebie, a potem przekazuje tę wiedzę dalej.
A czy podczas tej drogi po wiedzę zdarzały się jakieś kryzysy, chwile zwątpienia?
Zawsze pasjonowało mnie lotnictwo, marzyłem o byciu pilotem, jednak miałem niedokładne informacje o zasadach rekrutacji do szkoły lotniczej i żyłem w przekonaniu, że moja wada wzroku wyklucza karierę za sterami. Gdy okazało się, że jednak mam szansę spełnić swoje marzenie, sprawy życiowo-zawodowe były już na takim etapie, że logistycznie nie mogłem podjąć się nowego wyzwania… Było to dość drastyczne zderzenie z codziennością, ze zwykłymi, podjętymi obowiązkami oraz zobowiązaniami – wszystko w kontekście myślenia: „co by było, gdybym jednak latał…” Ale do dzisiaj chętnie patrzę w górę i śledzę to, co dzieje się na niebie – bo z miłości do lotnictwa się nie wyrasta /uśmiech/.
Kto był autorytetem dla młodego naukowca?
Bez wątpienia mój Dziadek, którego przydomowy warsztat stanowił dla mnie istną krainę niezwykłości, idealne miejsce do spędzania każdej wolnej chwili, by uczyć się zasad mechaniki, techniki… Niejednokrotnie zdarzało się, że gdy Dziadek zobaczył gdzieś jakieś przydatne Mu urządzenie, był w stanie zrobić je własnoręcznie. Metodą prób i błędów. Spędziłem wiele godzin, podpatrując Dziadka w pracy, gdy naprawiał różne, przyniesione przez ludzi przedmioty, ożywiał rzeczy już niedziałające, przywracał im sens funkcjonowania i sprawiał, że znów stawały się potrzebne. Te chwile mnie kształtowały.
*Cytuję za: https://ludzie.nauka.gov.pl/ln/profiles/AK87famNiCP/projects/336819
Źródło: Materiały redakcyjne
O Autorze
