Numerous approaches have been proposed for solving partial differential equations; all these methods have their own advantages and disadvantages depending on the problems being treated. In recent years there has been much development of particle methods for mechanical problems. Among these are the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH), Reproducing Kernel Particle Method (RKPM), Element Free Galerkin (EFG) and Moving Least Squares (MLS) methods. This development is motivated by the extension of their applications to mechanical and engineering problems. Since numerical experiments are one of the basic tools used in computational mechanics, in physics, in biology etc, a robust spatial discretization would be a significant contribution towards solutions of a number of problems. Even a well-defined stable and convergent formulation of a continuous model does not guarantee a perfect numerical solution to the problem under investigation. Particle methods especially SPH and RKPM have advantages over meshed methods for problems, in which large distortions and high discontinuities occur, such as high velocity impact, fragmentation, hydrodynamic ram. These methods are also convenient for open problems. Recently, SPH and its family have grown into a successful simulation tools and the extension of these methods to initial boundary value problems requires further research in numerical fields. In this thesis, several problem areas of the SPH formulation were examined. Firstly, a new approach based on ‘Hamilton’s variational principle’ is used to derive the equations of motion in the SPH form. Secondly, the application of a complex Von Neumann analysis to SPH method reveals the existence of a number of physical mechanisms accountable for the stability of the method. Finally, the notion of the amplification matrix is used to detect how numerical errors propagate permits the identification of the mechanisms responsible for the delimitation of the domain of numerical stability. By doing so, we were able to erect a link between the physics and the numerics that govern the SPH formulation.

Numerous approaches have been proposed for solving partial differential equations; all these methods have their own advantages and disadvantages depending on the problems being treated. In recent years there has been much development of particle methods for mechanical problems. Among these are the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH), Reproducing Kernel Particle Method (RKPM), Element Free Galerkin (EFG) and Moving Least Squares (MLS) methods. This development is motivated by the extension of their applications to mechanical and engineering problems. Since numerical experiments are one of the basic tools used in computational mechanics, in physics, in biology etc, a robust spatial discretization would be a significant contribution towards solutions of a number of problems. Even a well-defined stable and convergent formulation of a continuous model does not guarantee a perfect numerical solution to the problem under investigation. Particle methods especially SPH and RKPM have advantages over meshed methods for problems, in which large distortions and high discontinuities occur, such as high velocity impact, fragmentation, hydrodynamic ram. These methods are also convenient for open problems. Recently, SPH and its family have grown into a successful simulation tools and the extension of these methods to initial boundary value problems requires further research in numerical fields. In this thesis, several problem areas of the SPH formulation were examined. Firstly, a new approach based on ‘Hamilton’s variational principle’ is used to derive the equations of motion in the SPH form. Secondly, the application of a complex Von Neumann analysis to SPH method reveals the existence of a number of physical mechanisms accountable for the stability of the method. Finally, the notion of the amplification matrix is used to detect how numerical errors propagate permits the identification of the mechanisms responsible for the delimitation of the domain of numerical stability. By doing so, we were able to erect a link between the physics and the numerics that govern the SPH formulation.

V současnosti je velmi aktuálním tématem generování elektrické energie z alternativních zdrojů, zejména z vibrací. Zařízení, která přeměňují mechanickou energii na elektrickou, využívají často ke své činnosti piezoelektrický jev. Pro optimální nastavení takového elektromechanického měniče pro danou aplikaci je třeba mít k dispozici výpočtový model, který bude schopný postihnout všechny klíčové aspekty jeho provozu. Tato práce se tedy zabývá vytvořením takovéhoto nástroje, který je schopen komplexně popsat elektromechanickou odezvu studovaného piezoelektrického měniče energie v podobě vetknutého, vícevrstvého keramického nosníku s piezoelektrickými vrstvami. Uvažovaná vícevrstvá konstrukce je během své činnosti vystavena kinematickému buzení a je rovněž zatížena tepelnou zbytkovou napjatostí vznikající při její výrobě. Vytvořený výpočtový model využívá klasickou laminátovou teorii k určení statické elektromechanické odezvy dané konstrukce. Elektromechanická odezva při kmitání uvažované konstrukce v ustáleném stavu je získána s využitím Hamiltonova variačního principu a teorie kmitání prutů. Vytvořený výpočtový model je dále schopen odhadnout zdánlivou lomovou houževnatost dané vícevrstvé konstrukce pomocí metody váhových funkcí. Výstupy vytvořeného výpočtového modelu jsou ověřeny s využitím numerických simulací na bázi MKP a dostupných experimentálních výsledků. V diplomové práci je následně vytvořený výpočtový model aplikován při hledání optimálního rozložení jednotlivých vrstev konkrétního vícevrstvého nosníku s cílem maximalizovat jeho elektrický výkon a odolnost vůči šíření povrchových trhlin, resp. vzniku křehkého lomu. Tohoto cíle je dosaženo pomocí vhodného rozložení tepelných zbytkových napětí v jednotlivých vrstvách uvažované konstrukce (řízeného použitými materiály a tloušťkami jednotlivých vrstev).