A Doktori Iskola főbb céljai és tématerületei



Az emberiség által előállított javak nagy része gépek felhasználásával, illetve gépek segítségével előállított eszközök révén valósul meg. Tömören úgy is fogalmazhatunk gépészet nélkül az emberiség soha nem jutott volna el arra a szintre, ahogyan most él. Ugyanakkor az életkörülmények javításához szükséges eszközök modernizálása újfent számos gépészeti probléma megoldását követeli meg. A gépészmérnöki tevékenység igen széles palettán mozog: objektumokat, technológiákat, gyártási rendszereket alkot, gondoskodik ezek a minőségéről, biztonsági szempontokat betartó üzemeltetéséről, jelentős erőfeszítéseket és anyagi javakat koncentrál kutatásáról-fejlesztéséről.

Doktori Iskolánk feladatából adódóan a tudományos kutatómunkára való felkészítés keretében diákjait elvezeti új tudományos eredmények eléréséhez. A gépészmérnöki tevékenység fent vázolt fő osztályozása szerint a Doktori Iskola oktatási-kutatási programja három nagy területet fog át. Egyik a gépészeti alaptudományokkal, a másik az objektumok általunk művelt osztályának tervezésével, a harmadik a gépészeti anyagtudomány kérdéseivel illetve az előállítás problematikájával foglalkozik.

A gépészeti tevékenységhez kapcsolódva általánosan megállapítható, hogy a számítástechnika, az informatika tudományának és eszközrendszerének - többek között - a számítógépek teljesítményének növekedése az utóbbi években az anyagtudomány, a kontinuummechanika elméletének fejlődésével együtt, a fizikai jelenségek ez ideig soha nem látott bonyolultságú modellezésére, azok megbízható kezelésére, gyors kiszámítására, az eredmények grafikai megjelenítésére, illetve sokoldalú analízisére adnak módot. A kapott eredmények áttekinthető értékelésével a bonyolult elméletek a mindennapos mérnöki gyakorlat alkalmazott eszközévé váltak. Ezeket a modelleket részben a tervezéshez, a gyártáshoz, részben pedig az üzemeltetésnél jelentkező problémák elemzéséhez lehet felhasználni. Több szempontból is indokolt tehát az, hogy a gépészmérnöki feladatok modellezésének problémái kiemelt szerepet kapjanak a doktori iskola munkájában.

A modellezéssel kapott feladatok egzakt megoldása kivételes esetektől eltekintve nem lehetséges. Éppen ezért a gyakorlat számára rendkívül fontosak azok a numerikus módszerek, amelyekkel a problémát közelítő megoldásával a közelítés becslése is megadható.

A gépészeti modellt általában két fő oldalról vizsgálják. Egyik oldal a funkcionális vizsgálathoz kapcsolódó kinematikai és dinamikai analízis, a másik az alakváltozási- és feszültségállapot meghatározása. A funkcionális vizsgálat az üzemeltetési paraméterek hatásának elemzésével egészül ki: a kopás, zaj, súrlódási veszteségek stb. gépszerkezettani vizsgálata ad útmutatást a konstrukció, a technológia módosítására. A feszültségállapot ismeretében - az anyagtudományi eredményeket figyelembe véve - lehet dönteni a tönkremenetel különböző lehetőségeiről, az alakítástechnológia kivitelezhetőségéről. Természetesen a modell helytállóságát, megfelelő voltát az elvégzett kísérletek, üzemeltetési tapasztalatok igazolhatják csak vissza, avagy hívják fel a figyelmet a pontosítás szükségességére.

Az analízis számítógépesítésének előnyei különösen nemlineáris egyenletekre vezető nemlineáris feladatoknál jelentkeznek. Ismeretes, hogy anyagi és geometriai nemlinearitásokat szokás megkülönböztetni. Az anyag oldaláról szemlélve a modelleket, a gépészet jelentős területe rugalmas anyagmodellel írható le, geometriailag lineáris (szerszámgépek, szállítóberendezések, munkagépek, járművek, hő- és áramlástani gépek, különféle gépalkatrészek, a törésmechanika egyes kérdései stb.), illetve geometriailag nemlineáris feladatok jelentkeznek hajlékony elemek, gumikompozitok, lemezek, héjak, érintkezési problémák, stabilitási kérdések stb. tárgyalásánál.

Utóbbi időkben a kutatások egyre nagyobb figyelmet fordítanak anyagtudományi, alakítástechnológiai kérdések pl. forgácsolás, hegesztés, képlékeny alakítás (hengerlés, folyatás, kovácsolás, mélyhúzás, zömítés), törések elemzésére a geometriai és az anyagi nemlinearitás figyelembevételével. E feladatoknál a testek közötti súrlódás és a hőátadás hatásainak elemzésére is mód kínálkozik.

A nemlineáris feladatok egy másik osztálya a folyadékok, gázok áramlásánál jelentkezik a belső súrlódások, az áramló közeget tartalmazó berendezés alakváltozásának figyelembevételénél. Lehetetlen teljességében felsorolni a kutatandó témák, feladatok sokaságát. Az alábbiak csupán néhány, általunk is kutatott globális problémacsoport felsorolására vállalkoznak.

Főbb kutatási irányok

  1. Valóságos viszonyokat jól leíró modellek felépítése
    A számítógépek adta lehetőségekkel a fizikai jelenségek nemlineáris hatásait is figyelembe tudjuk venni. A nemlineáris, időben változó anyagtulajdonságok, a felületi érdesség (tribológiai problémák), az egymáson elcsúszó testek kopása, a hőfejlődés, az elektromos és mágneses hatások, a különböző technológiai folyamatok (hegesztés, képlékenyalakítás, forgácsolás), a folyadékot, gázt tartalmazó szilárd testek (tartályok, csővezetékek) időben változó terhelés melletti viselkedésének tisztázása olyan kihívások, amelyekre választ kell adni kísérletekkel jól megalapozott különböző fenomenológikus modellek felállításával és a kapott modellek megbízható megoldásával.
  2. Megoldási módszerek kutatása
    A számítógépek sebessége ugyan napról-napra növekszik, de a megfelelő pontosság elérése, különösen nemlineáris feladatoknál előtérbe helyezi pl. a végeselem-módszer területén új variációs módszerek megalapozását, az elemháló adaptív szabályozását, újragenerálását, többprocesszoros számításoknál parallel technikák kifejlesztését.
  3. Kapcsolt fizikai mezőkkel kapcsolatos feladatok
    A feladatok egyik nagy osztályát a testek érintkezésénél a felületi mikrogeometria, a súrlódás anizotropiája, a súrlódás okozta hőfejlődés, illetve a kopás nyomon követése jelenti, amikor is hőtani és mechanikai mezőre vonatkozó nemlineárisan kapcsolt differenciál- egyenletrendszert kell megoldani gyorsan, ugyanakkor megfelelő pontossággal.
    A feladatok másik osztálya az adaptív szerkezetekkel, mechatronikai építőelemekkel kapcsolatos. Komplex mechanikai rendszereknél a kedvezőtlen környezeti hatásokra való reagálás megkívánt követelmény. A végeselem- módszer alkalmazása nagyon jó lehetőséget biztosít az adaptív szerkezetek elemzésére.
    A feladatok harmadik osztálya a tönkremenetel előrejelzésével kapcsolatos. A repedés kialakulásához, a repedésterjedéséhez, a tönkremenetel előrejelzéséhez megbízható (kísérletekből kapott) kritériumok kellenek, továbbá ezekhez a feszültségállapot magas fokú approximációja szükséges.
    A feladatok egy újabb osztálya a transzportfolyamatoknál jelentkező, erősen nemlineáris jelleggel rendelkező hőtani folyamatok, folyadékok, gázok, illetve ezek szilárd részecskékkel történő keverékének áramlástani viszonyait kívánja tisztázni.
  4. Szimuláció, virtuális gyártás
    A valóságot leíró mechanikai modelleket egyrészt a feszültségek, másrészt az elmozdulások és a dinamikai jellemzők meghatározására szokás felhasználni. A feszültségekből - anyagtudományi eredményeket felhasználva - a tartós szilárdságra, élettartamra lehet következtetni, illetve a berendezések működésére kaphatunk információkat. A szimuláció egyik vonulata az anyagmodellek pontosításával (pl. kompozitoknál a mátrix és az erősítő szálak közötti kapcsolat tisztázásával, a gyártás során keletkező maradó feszültségek meghatározásával]) kapcsolatos. A másik vonulat a gépészeti berendezés, a technológia különböző paraméterek (terhelés, anyagtulajdonság, geometria stb.) melletti viselkedésének előrejelzésére ad módot. Ez utóbbinál döntő, hogy a prototípus legyártása nélkül numerikusan vizsgálni lehet a szerkezetet, a bevezetésre váró gyártástechnológiát. Így egy virtuális gyártást lehet megvalósítani, amely gyors és egyúttal gazdaságos megoldás is: numerikus kísérletekkel tisztázni lehet az egyes paraméterek hatását, optimális megoldásokat lehet feltérképezni. Ennek fontossága a kiéleződő piaci versenyben egyre jelentősebb.
  5. Multidiszciplináris optimálás
    A szerkezetek, gépek optimális kialakításának fejlődésével olyan problémák jelennek meg, amelyeknél több, eddig különálló diszciplina hatását kell együttesen, sokszor egymástól eltérő prioritással súlyozni, pl. a szerkezet, a technológia kialakítása környezetvédelmi szempontok mérlegelésével.
  6. Mechatronikai rendszerek
    A géptervezés új szemléletének vagyunk tanúi, hiszen a gépek, berendezések nagy része elektromosan, vagy valami más energia felhasználásával működik, olymódon, hogy ezeket vezérelni is kell. Ezáltal a mechanika, az informatika, az elektrotechnika, a szabályozástechnika tudásanyagát és módszereit közösen kell használni egy nagy rendszeren belül. Lényegében a valóságos szerkezetek, berendezések kinematikai és dinamikai tulajdonságainak nyomon követése az összes kölcsönhatás számításba vétele mellett válik lehetségessé. A nagysebességű robotok, mechanizmusok működésének fejlettebb modelljei már az elemek alakváltozását is figyelembe veszik.

Oktatási Kutatási programok 

1. Gépészeti alaptudományok tématerület (vezetője: Dr. Páczelt István az MTA rendes tagja)

A mechanika és a termodinamika a fizikának a mérnöki alkalmazások érdekében önállóan fejlődő tudományterületei, amelyek az alkalmazott matematikai ismeretek felhasználásával a gépészeti gyakorlatban jelentkező, a valóságos viszonyokat mind tökéletesebben leíró modellek felállítására és megoldására adnak módot. A képzés során a hallgatók az egyetemi tanulmányokra építve mélyebben ismerkednek meg a szilárd- és a folyékony testek, a véges szabadságfokú rendszerek és a keverékek mechanikája, termodinamikája és gépei tudományterületekkel, továbbá önálló kutatómunkát végeznek.

A felajánlott tantárgyak az alapok erősítésén túlmenően a mérnöki problémák elvi megfogalmazásához, a megoldandó differenciál-, illetve integrál egyenletrendszer felállításához, azok megoldási technikáinak taglalásához, továbbfejlesztéséhez adnak értékes ismereteket.

A kutatandó modellezési problémák többrétűek. Lehetséges csak a szilárd testek, a folyadék, avagy ezekből felépített összetett rendszerek elemzése, továbbá szélesebb értelemben vett kapcsolt (hőtani- elektromos-, mágneses-, mechanikai mezőket tartalmazó) rendszerek vizsgálata. A kutatások egy része jelentős figyelmet fordít a kezdeti-, perem érték feladatok közelítő megoldását megalapozó variációs elvek, módszerek felállítására, a megoldás pontosságának növelésére, a numerikus megoldás hatékonyságának vizsgálatára, numerikus kísérletek elvégzésére.

Ki kell emelni a nemlineáris feladatok kutatásának fontosságát, amelyek a nemlineáris viselkedésű szerkezeti elemekre, a gépészeti technológiai folyamatokra, a hő- és tömeg- transzportfolyamatokra terjednek ki. Nagyon fontos feladatot jelentenek az optimálási problémák körültekintő megfogalmazásai, megoldásukra hatékony algoritmusok kidolgozása, a megvalósíthatósági kritériumok hatásának elemzése.

A fentiekből következően a jelenségek szimulálásánál jelentkező bonyolult kezdeti-, peremérték feladatok megoldásai számítógépek alkalmazását követelik meg. Így a jelöltek munkáját nagyon megkönnyíti a megfelelő szintű számítógépes, programozói ismeret és algoritmizáló képesség birtoklása. A kutatások számítógépes analízis nélkül elképzelhetetlenek. Az adekvát mechanikai modellek kidolgozása megköveteli a megfelelő mérési eredmények ismeretét, esetenként kísérletek elvégzését.

A gépészeti alaptudományok tématerületen a képzés az alábbi két nagy témacsoportban történik.

a) Szilárd testek mechanikája (vezetője: Dr. Szeidl György, DSc, Professor Emeritus) Ez a témacsoport különös hangsúlyt helyez a nemlineáris mechanikai feladatokkal kapcsolatos probléma körökre. Mind a dinamikai kérdéseket illetően (Analitikus mechanika, Nemlineáris rezgéstan), mind pedig a nemlineáris anyagi viselkedés probléma köreit illetően (Nem rugalmas testek mechanikája). A szabadon választható és a témacsoporthoz tartozó tantárgyak a mérnöki gyakorlat alapvető mechanikai kérdéseit fedik le, így a héjszerkezetek, a mechanizmusok és robotok, a hőterhelés okozta feszültségek, valamint a numerikus megoldások peremelem módszerrel történő számításnak kérdésköréit.

b) Transzport folyamatok és gépeik (vezetője: Dr. Baranyi László, CSc, Professor Emeritus) A hatékony és környezetbarát energiatermelés elképzelhetetlen a különböző erőművekben (hő-, atom-, víz-, szél-, nap-, és geotermikus), illetve azok gépeiben lejátszódó transzportfolyamatok részletes ismerete nélkül. A folyamatok megismerésének fontos eszköze a numerikus szimuláció.  

2. Gépek és szerkezetek tervezése tématerület (vezetője: Vadászné dr. Bognár Gabriella, DSc, egyetemi tanár)

A program keretében a hallgatók a legszélesebb körben értelmezett gépekkel (hidraulikus, pneumatikus, elektromos, elektronikus, intelligens stb.) és azok elemeinek fejlesztési elveivel, a műszaki feladatok optimális megoldásaival ismerkednek meg a műszaki tudományok és a társtudományok legkorszerűbb módszerei alapján.

A képzés hozzásegíti a hallgatót, hogy képes legyen interdiszciplináris megközelítéssel feltárni a célnak legjobban megfelelő működési elveket, kiterjesztve ezeket a géptervezés minden területére, különös tekintettel a korszerű anyagmozgató gépekre, különleges rendeltetésű gépekre, és azok elemeire, a legszélesebb értelemben vett termékfejlesztésre, a mechatronikai rendszerek egységeire, mérnöki szerkezetekre és a szerszámgépekre.

A kutatáshoz hozzátartozik a mérési és kísérleti vizsgálatokra épülő modellek elemzése, szimulációs-animációs módszerek, optimalizálási eljárások alkalmazása, dinamikus és sztochasztikus hatások, aszimmetriák, gyártási-szerelési hibák, kopások befolyása, ezek vizsgálata, a mozgatott áruk tulajdonságainak figyelembevétele stb.

A mechatronikai terület integrálja a gépészeti, elektrotechnikai-elektronikai, az automatizálási és az informatikai rendszereket. A szerszámgépek vonatkozásában a doktoranduszok megismerik a legkorszerűbb gyártóeszközöket, szerszámgép-tervezési módszereket és munkájuk során a szigorúan vett gépészeti tudást ötvözik a legkorszerűbb informatikai ismeretekkel.

A mérnöki szerkezetek kutatói mind fém, mind szálerősítéses műanyagszerkezetek szilárdsági vizsgálatait, optimalizálási módszereit gazdaságossági szemléletét és a költséghatékony tervezés elveit kutatják-fejlesztik.

Minden területre jellemző a számítógépes módszerek, a CAD technikák, a szimulációs módszerek és a végeselem-módszer alkalmazása. Folyamatos kutatás tárgyát képezik a módszeres géptervezés és az innovációs technológiák.

A Gépek és szerkezetek tervezése tématerületen belül a képzés hét témacsoportban folyik, amelyek a következők.

a) Anyagmozgató gépek tervezése (vezetője: Dr. Illés Béla, CSc, egyetemi tanár) A témacsoport magában foglalja az anyagmozgató gépek építőelemeivel, a szakaszos és folyamatos anyagmozgató gépekkel, a rakodó gépekkel és raktári berendezésekkel, anyagmozgató robotokkal, szilikátipari gépekkel és manipulátorok elméletével, tervezési és irányítási módszereivel, intelligenciájuk növelésével, géprendszerre való integrálásával kapcsolatos kutatási-oktatási feladatokat.

b) Gépek és elemeik tervezése (vezetője: Vadászné dr. Bognár Gabriella DSc, egyetemi tanár) Minden gép és rendszer részrendszerekből és elemekből épül fel, amelyek fejlesztése nem nélkülözheti a legkorszerűbb tervezés módszertani elveket és azok mindenkori továbbfejlesztését, különös tekintettel az információtechnológia adta adatfeldolgozási-adatbányászati módszerekre.

c) Termékfejlesztés és tervezés (vezetője: Vadászné Dr. Bognár Gabriella, DSc, egyetemi tanár) A Gépészmérnöki ismeretek és tudás alkalmazási területe ipari méretekben kiterjedt az emberközeli gyártmányok - termékek – fejlesztésére. Ugyanazok az elvek, amelyek a géptervezésben és kutatásban használatosak, adaptált formában tudományos szinten érvényesülnek az orvosi berendezések, szerszámok, használati eszközök, sporteszközök, járműgyártás területén.

d) Mechatronikai rendszerek tervezése (vezetője: Dr. Szabó Tamás, PhD, egyetemi docens) A témacsoport ismerteti a mechatronikai rendszerek tervezéséhez szükséges VDI2206 szabványt. Az elektromechanikai rendszerek energia szemléletű modellezésével, szimulációjával, továbbá mikrokontrollerrel megvalósítandó szabályozásával is foglalkozik. Áttekinti a tervezendő berendezésekhez szükséges CAD rendszereket és elektronikai ismereteket.

e) Mérnöki szerkezetek tervezése (vezetője: Dr. Jármai Károly, DSc, egyetemi tanár) A képzés célja, hogy bemutassa a gazdaságos szerkezet-tervezésben azt, hogy a tervezési folyamat, az alkalmazott gyártási technológia és a gyártási költségelemek nagyon szoros kapcsolatban vannak egymással. A hallgatók megismerkednek korszerű optimalizálási eljárásokkal, újszerű gondolkodásmódra készülnek fel.

f) Szerszámgépek tervezése (vezetője: Dr. Hegedűs György, PhD, egyetemi docens) A doktori képzés célja, hogy olyan szakembereket képezzünk, akik ismerik a legkorszerűbb gyártóeszközöket, szerszámgép-tervezési szabályokat, ismerik és a gyakorlatban is képesek alkalmazni a módszeres géptervezés elveit és elemeit és munkájuk során a hagyományos mérnöki tudást képesek ötvözni a legkorszerűbb információtechnológiai eszközökkel.

g) Energetikai és vegyipari gépészeti rendszerek tervezése (vezetője: Dr. Siménfalvi Zoltán, PhD, egy. tanár) A képzés során célunk olyan szakemberek képzése, akik alapvetően energetikai, vegyipari és rokonipari környezetben alkalmazható gépészeti és technológiai tervezési ismeretek birtokában hozzájárulnak az alkalmazott mérnöki területek tudományosan megalapozott fejlődéséhez.  

3. Gépészeti anyagtudomány, gyártási rendszerek és folyamatok tématerület (vezetője: Dr. Kundrák János, DSc, Professor Emeritus)

Az oktatási-kutatási program az alkalmazott mérnöki tudományok széles spektrumát lefedő, önálló tudományterületet képvisel, amely magába foglalja a gyártási technológiák legkülönfélébb területeit az anyagtudományi alapoktól az előgyártó eljárásokon keresztül a gépipari alkatrészgyártásig, és a mérnöki szerkezetek üzemeltethetőségi feltételeinek biztosításáig.

A program célja olyan tudományos továbbképzés megvalósítása, amelynek keretében a képzésben résztvevők a korszerű matematikai, mechanikai és anyagtudományi alapismeretekre építve elsajátítják a gyártási-megmunkálási eljárások és folyamatok, rendszerek tervezésének és fejlesztésének legfontosabb ismereteit. Képessé válnak a korszerű számítógépes mérnöki módszerek alkalmazására és továbbfejlesztésére, a számítógépes integrált gyártás gyakorlati megvalósítására, új gyártási technológiák bevezetésére és alkalmazására. Ismerik a minőségpolitika és stratégia, a vállalati minőségbiztosítási rendszer módszereit és követelményeit, a tervezés, a fejlesztés, a gyártás és a szerelés területén, valamint jártasak a szerelési rendszerek és módszerek ipari alkalmazásában. Alkalmasak a mérnöki szerkezetek, gépek integritásának menedzselésére, üzemeltethetőségi feltételeinek és élettartamának biztosítására, korszerű számítás- és méréstechnikai, valamint anyagvizsgálati módszerek és eszközök felhasználásával. A képzésben résztvevők jártasságot szereznek a számítógépes mérnöki módszerek alkalmazása, a szerkezeti anyagok károsodásának vizsgálata, a szerkezetek állapotának diagnosztizálása területén. Az intézményi sajátosságokat figyelembe véve az oktatás-kutatás az alábbi témacsoportokban folyik:

a) Gépészeti anyagtudomány és mechanikai technológiák (vezetője: Dr. Lukács János, CSc, egyetemi tanár). A témacsoport az anyagtudomány és az anyagtechnológiák (a hegesztés, a hőkezelés és a képlékenyalakítás) szakmai területeit foglalja magába. Kiemelt jelentőségű a technológiai folyamatokat minél tökéletesebben leíró modellek kidolgozása és elméleti elemzése, a gyártási folyamatok és rendszerek korszerű módszerekkel történő tervezése, valamint a számítógépes mérnöki módszerek alkotó alkalmazása és továbbfejlesztése.

b) Gyártási rendszerek és folyamatok (vezetője: Dr. Maros Zsolt, PhD, egyetemi docens). Az oktatás-kutatás a forgácsoláselmélet, a hagyományos, precíziós és különleges megmunkálási eljárások, a minőségirányítás és minőségbiztosítás, valamint a gyártási és technológiai folyamatok tervezésének és irányításának szakmai területeit öleli fel.

c) Szerelési folyamatok és rendszerek (vezetője: Dr. Kovács György, PhD, egyetemi tanár) E témacsoport a szerelési folyamatok és típusai (elő-, végszerelés; szétszerelés); a szerelőrendszerek és elemei (eszközök, gépek, cellák); az elemeket összekötő anyagmozgató rendszerek; valamint a szerelési folyamat tervezése, korszerűsítése (automatizálás, robotizálás) és minőségbiztosítása szakmai területeket foglalja magába.

d) Szerkezetintegritás (vezetője: Dr. Lukács János, CSc, egyetemi tanár). A témacsoport a mérnöki szerkezetek, gépek üzemeltethetőségi feltételeivel, károsodásával és élettartamával, valamint az ezeket kiszolgáló eszközök és módszerek alkalmazási lehetőségeivel foglalkozik. A fókuszban a szerkezetintegritás komplex, kockázat- és megbízhatóság-elemzésekre épülő kérdésköre áll, annak elméleti megalapozásával és vizsgálatokkal való alátámasztásával.