2024 № 2 Динаміка та міцність машин

Постійне посилання колекціїhttps://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/84808

Переглянути

Результати пошуку

Зараз показуємо 1 - 10 з 11

Дослідження точності роботи фізико-інформованих нейронних мереж на прикладі деформування балки
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2024) Бабуджан, Руслан Андрійович; Шаповалова, Марія Ігорівна; Водка, Олексій Олександрович
У роботі досліджено точність прогнозування деформації балки за допомогою фізико-інформованих нейронних мереж (PINN) у порівнянні зі звичайними повнозв'язними нейронними мережами. Для експерименту було використано аналітичне рішення задачі прогину балки, шарнірно опертої з одного кінця, закріпленої з іншого, та навантаженої точковою силою. Було створено набір даних, у якому варіювалася позиція прикладання навантаження для отримання різних значень прогину. Архітектура нейронної мережі базувалася на повнозв'язній структурі, навченої для прогнозування прогину. У ході дослідження порівнювалися дві функції втрат: стандартна, яка мінімізує середньоквадратичну помилку (MSE), та комплексна, що включає фізичну компоненту. Остання враховувала закони механіки, зокрема диференціальні рівняння прогину балки, які інтегрувалися у процес навчання через градієнти вихідних даних мережі. Результати показали, що включення фізичних законів у процес навчання значно підвищує точність прогнозів, особливо при обмеженій кількості даних. Порівняння продемонструвало, що фізико-інформована нейронна мережа забезпечує кращі результати, ніж звичайна модель, і точніше відображає поведінку балки під навантаженням. Отримані висновки підкреслюють ефективність підходу PINN для розв'язання інженерних задач, де важливу роль відіграють фізичні моделі та закони.
Моделювання процесів ударного руйнування пластин з використанням програмного комплексу Peridigm
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2024) Бондарь, Сергій Володимирович; Батюк, О. А.; Бреславський, Дмитро Васильович
У статті розглянуто підхід до чисельного моделювання ударного непружного навантаження твердих тіл. Обговорюється використання різних чисельних підходів до опису ударного деформування твердих деформованих тіл, порівнюються застосування методу скінченних елементів та методів перидинамічного аналізу. До проведення моделювання застовано основні теоретичні положення перидинаміки. Для розрахункового оцінювання процесів ударної взаємодії та руйнування застосовано програмний комплекс Peridigm. Розглянуто основні співідношення методу розрахунку. Для аналізу процесів руйнування використано модель матеріалу, основану на описі в’язів. Обговорюється реалізація розгортання обчислювальних проєктів з застосуванням контейнерів Docker. Аналізується програмна реалізація проєкту за допомогою модулів програмного комплексу Peridigm, розглянуто діаграми класів, послідовності, компонентів та активності, що призначені для опису властивостей проєктів. Обговорюються технічні можливості виконання чисельного аналізу різних механічних процесів з використанням різних, в тому числі користувацьких, програмних модулів для завдання визначальних рівнянь, обчислювальних процедур, введення-виведення та управління даними. Проаналізовано послідовність проведення розрахунків з використанням розробленого обчислювального проєкту. На прикладі задачі ударного пробиття сталевої пластини сферичним ударником, що рухається з різними швидкостями, продемонстровано можливості чисельного аналізу деформування та руйнування елементів конструкцій з визначенням форм отриманих макроскопічних дефектів. Для заданого прикладу проаналізовано різні швидкісні режими навантаження. Встановлено діапазони швидкості, при яких виникають незворотні пластичні деформації, починається руйнування, реалізується часткове або повне пробиття пластини.
Застосування багатоіндикаторної оцінки якості Парето-апроксимації при прийнятті мультикритеріальних рішень
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2024) Некрасова, Марія Володимирівна
Підтримка прийняття багатокритеріальних рішень на основі багатоіндикаторної оцінки якості Парето-апроксимації є важливою задачею у галузі багатокритеріальної оптимізації. Така оцінка дозволяє приймати більш обґрунтовані та точні рішення, використовуючи інформацію про декілька показників, що визначають якість рішень. Парето-апроксимація - це наближений набір рішень, який прагне якнайточніше описати реальний Парето-фронт. При цьому слід оцінювати, наскільки добре знайдені рішення покривають або апроксимують реальний Парето-фронт. З великої кількості відомих алгоритмів розв'язання цієї задачі можна назвати алгоритми, засновані на попередній побудові апроксимації її фронту (множини) Парето і звані П-алгоритмами. П-алгоритми можуть бути побудовані на основі еволюційних і насамперед на основі генетичних алгоритмів, а також на основі роєвих алгоритмів глобальної оптимізації, таких як алгоритми рою частинок, колонії мурах, медоносних бджіл і т.д. Зважаючи на наявність великої кількості П-алгоритмів виникає проблема вибору «найкращого» алгоритму для даної багатокритеріальної задачі оптимізації (БКО-задачі) - проблема метаоптимізації. У зв'язку з цим розроблено значну кількість індикаторів ефективності П-алгоритмів (П- індикаторів), які засновані насамперед на оцінці якості отриманої апроксимації фронту (множини) Парето (П-апроксимації). Таким чином, задача оцінки якості П-алгоритму сама стає багатокритеріальною, точніше кажучи, багатоіндикаторною.
Автоматизація контролю якості вживаних деталей на основі 2D-зображень і невізуальної інформації: підхід до подовження життєвого циклу виробу
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2024) Бондар, Д. В.; Басова, Євгенія Володимирівна; Водка, Олексій Олександрович
У статті представлено методологію автоматизації контролю якості використаних деталей після їх розбірки, зосереджуючись на визначенні їхньої придатності до повторного використання. Запропонований підхід використовує 2D-зображення деталей, доповнені невізуальною інформацією, зокрема розмірами та історією експлуатації, для точної ідентифікації зношених або пошкоджених компонентів. Методологія складається з чотирьох етапів: отримання вихідних даних, сегментації отворів, класифікації масштабу та оптимізації, а також класифікації та валідації допусків діаметра. Використання моделі Mask R-CNN з механізмом уваги (SEBlock) у поєднанні з класифікатором Random Forest дозволило досягти високої точності виявлення дефектів, зокрема невідповідностей діаметрів отворів встановленим допускам. Результати дослідження продемонстрували середню точність класифікації на рівні 79%, із максимальними показниками прецизії, повноти та F1-оцінки у певних випадках. Система показала високу ефективність, уникаючи хибнонегативних результатів та мінімізуючи кількість хибнопозитивних помилок. Запропонована методологія є економічно ефективною, оскільки усуває потребу в дорогому 3D-сканувальному обладнанні, що спрощує її інтеграцію у виробничі лінії та ремонтні станції. Інтеграція багаторівневої 3D-концепції дозволяє враховувати геометричні параметри та мікроструктурні характеристики деталей на різних рівнях, що підвищує точність аналізу. Система має певні обмеження: вона може аналізувати лише один тип деталі за раз і не здатна виявляти особливості, невидимі на 2D-зображеннях. Водночас вона відкриває перспективи для подальших досліджень, спрямованих на вдосконалення методів аналізу поверхонь і використання багатокутового стереозору. Впровадження запропонованої системи сприяє підвищенню ефективності виробничих процесів, зменшенню витрат на закупівлю нових компонентів та підтримує екологічну сталість шляхом продовження життєвого циклу деталей. Подальші дослідження будуть зосереджені на адаптації методології для різних типів деталей і впровадженні підходів багатокутового стереозору для підвищення точності та надійності контролю якості.
System of three collinear interface cracks in a finite size domain
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2024) Voiedilo, R.; Loboda, V.
A bimaterial region, consisting of two rectangles, connected by their edges is considered. Three cracks of arbitrary length and location have appeared in the interface. It is assumed that the load applied at the outer ends of the rectangles is directed orthogonally to the interface. The Abaqus software package is used to solve the problem. A finite element mesh with thickening near the cracks and especially near their tips is created. Eight-node finite elements of the Lagrangian type are used. A series of calculations are performed on different meshes with different degrees of their thickening, which allows us to assess the dependence of the results on the mesh parameters. To simplify and speed up the modeling process, a program in Python, which is integrated into Abaqus as a script was written. This program allows us to change quickly the parameters of cracks, loads and material properties, as well as automatically create a new mesh for each configuration. The analysis focused on the consideration of the sizes of the crack region and the calculation region dependencies. It was found out that the energy release rate increases with a decrease in the relative size of the calculation region. This is especially evident for the crack tips that are closest to the boundaries of the region. For the case of a region much larger than the crack size, a comparison of numerical results with the corresponding analytical solutions was carried out and their good agreement was shown.
Метод Монте-Карло та штучний інтелект: використання методу Монте-Карло в навчанні з підкріпленням
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2024) Некрасова, Марія Володимирівна
Навчання з підкріпленням - технологія, що найбільш швидко розвивається, застосовується при створенні штучних інтелектуальних систем. На даний момент ця галузь досить швидко розвивається і є надзвичайно затребуваною.. Багато дослідників по всьому світу активно працюють з навчанням з підкріпленням у різноманітних сферах: нейробіології, теорії управління, психології та багатьох інших. Метою даної роботи є обґрунтування можливості застосування методу Монте-Карло в навчанні з підкріпленням. Відомо, що основним у такому навчанні є фіксація аспектів реальної проблеми при взаємодії того, хто навчається з навколишнім світом для досягнення своєї мети. Тобто агент навчання повинен мати мету, пов’язану зі станом навколишнього середовища. Також необхідно мати можливість відчувати середовище та вчиняти дії, що впливають на нього. Формулювання завдання навчання з підкріпленням має враховувати все три аспекти – відчуття, дію та мету – у їх найпростіших формах. В статті показано, що методи Монте-Карло здатні вирішити проблеми навчання із підкріпленням, ґрунтуючись на усередненні результатів вибірки. Не можна використовувати лише перевірені дії або лише шукати нові - в цьому і полягає проблема, бо у стохастичній задачі кожна дія має бути випробувана багато разів, щоб отримати надійну оцінку очікуваної винагороди. Щоб забезпечити доступність чітко визначених результатів, у статті розглядаються методи Монте-Карло лише епізодичних завдань. При цьому показане застосування нестандартного підходу до навчання із заздалегідь невідомими навчальними прикладами, які підбиралися автоматично, у процесі оптимізації. Таким чином, методи Монте-Карло можуть бути успішно інкрементними лише на рівні епізодів.
Евристичний підхід до програмної реалізації методу Літтла на прикладі задачі комівояжера
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2024) Місюра, Євгенія Юріївна; Місюра, Сергій Юрійович; Сметанкіна, Наталія Володимирівна
У статті розглянуто задачу комівояжера (комівояжер — бродячий торговець; англ. Travelling Salesman Problem, TSP), яка є однією з найвідоміших та найважливіших оптимізаційних задач у теорії графів та прикладній математиці. Вона має широке практичне застосування, включаючи логістику, планування маршрутів та управління ресурсами. Суть задачі полягає у пошуку найвигіднішого маршруту, що проходить через задані міста лише один раз, а потім повертається до початкової точки. В умовах даної задачі застосовуються критерій вигідності маршруту (тобто найкоротший та найдешевший маршрут) і відповідні матриці відстаней (в кілометрах), тобто основна мета - мінімізувати загальну довжину маршруту або його вартість. Задано, що маршрут повинен проходити через кожне місто тільки один раз, в такому випадку розв'язок знаходиться серед гамільтонових циклів. Для можливості застосування математичного апарату для розв'язання проблеми, її представлено у вигляді математичної моделі. Проблему комівояжера формулюють у вигляді моделі на графі, де міста представлені як вершини, а відстані між ними - як ребра. Авторами запропоновано застосування евристичного методу до розв’язання даної задачі. Для цього вдосконалено програмну реалізацію алгоритму Літтла, який вибирає для розбиття множини з мінімальною межею з усіх можливих гілок, а не з двох отриманих в результаті останнього розбиття. При цьому використовується евристичний підхід до вибору множини з межею не більше, ніж мінімальна. Продемонстровано роботу програми на прикладі проїзду автомобілем між містами України, заданими реальної матрицею відстаней (в кілометрах). У статті розглянуто модернізований метод Літтла для розв’язання задачі комівояжера, що демонструє значно вищу швидкість роботи порівняно з методом повного перебору. Основна ідея - використання евристичного підходу для скорочення простору пошуку та зниження витрат ресурсів. Тестування на прикладі міст України з використанням реальної матриці відстаней у кілометрах підтвердило ефективність алгоритму, який обирає оптимальні розв’язання, зберігаючи мінімальні межі витрат.
Аналітичне рішення оберненого і прямого завдання кінематики просторового кутового маніпулятора АВВ з подальшим 3D-моделюванням
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2024) Шабанов, Геннадій Вікторович; Андрєєв, Юрій Михайлович
У статті пропонується алгоритм вирішення оберненої задачі кінематики шестиступеневого кутового маніпулятора на базі моделі робота АВВ. Алгоритм заснований на отриманих авторами аналітичних викладках, які становлять послідовність виразів, що дозволяють за заданим законом руху вихідної ланки – захвату визначити всі 6 кутів повороту частин кінематичних пар, що з’єднують ланки. Спочатку з умов виконання захватом виробничого завдання визначається закон його руху – функціями часу декартових координат полюса та орієнтаційних параметрів. За полюс може бути обрана будь-яка точка захвату. Як орієнтаційні параметри можуть використовуватися кватерніон або матриця повороту. Показано, як можна побудувати матрицю повороту та кватерніон за законами зміни декартових координат трьох точок захвату. Особливістю маніпулятора, що розглядається тут, є наявність загальної точки осей повороту трьох останніх ланок. Це дозволяє із закону руху захвату визначити закон руху цієї точки. Після чого однозначно визначаються законі зміни кутів повороту трьох перших ланок. При цьому одночасно вирішується орієнтаційне завдання цих ланок. Для визначення кутів трьох останніх ланок складається матричне чи кватерніонне рівняння, виходячи з еквівалентності двох послідовностей поворотів ланок. Перша – сукупність вже відомих поворотів від третьої ланки через другу та першу ланку до абсолютної системи координат і, нарешті, від абсолютної системи до захвату. Параметри цих поворотів відомі. Друга послідовність – це 3 повороти на невідомі кути трьох крайніх ланок від третьої знову до захвату. Ці невідомі кути визначаються з такого рівняння. Виклад складу запропонованого алгоритму ведеться з урахуванням маніпулятора АВВ, але може бути прикладений до маніпуляторів класу ПУМА. Алгоритм реалізований за допомогою спеціальної системи комп'ютерної алгебри КіДиМ та розробленої програми на С++, яка використовує можливості OpenGL та SolidWorks, що дозволяють 3D-візуалізацію результатів розрахунків.
Скінченноелементне програмне забезпечення для розв'язання тривимірних задач з використанням хмарних технологій
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2024) Бреславський, Дмитро Васильович; Бородін, Марія Анатоліївна; Татарінова, Оксана Андріївна; Сенько, Альона Володимирівна
Основні співвідношення методу скінченних елементів, представлені у статті у загальному тривимірному формулюванні. застосовано для побудови програмного засобу, призначеного для розрахункового аналізу напружено-деформованого стану з використанням хмарних ресурсів у випадку великих обсягів даних. Наведено математичну постановку задачі. Описано основні залежності, що застосовуються для побудови скінченноелементних співвідношень елементу у формі чотирьохвузлового тетраедру. Використано лінійні функції форми. Система лінійних алгебраїчних рівнянь розв’язується методом спряжених градієнтів. Обговорюється структура додаткових програм, призначених для пре- та постпроцесорної обробки даних. Наведено приклади роботи даних програм, що демонструють можливості аналізу скінченноелементних моделей, їхніх окремих фрагментів та розподілу компонентів напружено-деформованого стану за об’ємом елементу конструкції, що аналізується. Обговорюються результати верифікаційних досліджень, які показали задовільну достовірність даних, що отримуються при розв’язанні пружних задач. Описано запропонований для застосування хмарних ресурсів підхід з використанням технологій Terraform та Kubernetes, який дозволяє виконувати чисельне моделюванні за допомогою розробленого програмного засобу. Виконано порівняння характеристик обчислювальних процесів з використанням програми для окремого персонального комп'ютера та розрахунку у хмарі.
Моделювання процесів накопичення пошкоджень при плоскому напруженому стані
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2024) Бреславський, Дмитро Васильович; Грошевий, Михайло Олександрович; Хорошун, Андрій Сергійович; Татарінова, Оксана Андріївна
Запропоновано підхід до моделювання процесів накопичення пошкоджень при повзучості, коли напружений стан у конструктивному елементі характеризується наявністю областей з різним рівнем напружень. Внаслідок процесів старіння, оксидації та інших високотемпературних деградаційних процесів у зонах з малими рівнями напружень швидкість накопичення прихованих пошкоджень може збільшуватись, що не відображається у класичних формулюваннях механіки пошкоджуваності. Надано опис еволюційного рівняння для скалярного параметру пошкоджуваності, в якому параметри, що до нього входять, є функціями величин напружень, які при даному часі до припинення прихованого руйнування є руйнівними. Математичну постановку задачі та її скінченноелементне формулювання виконано для випадку плоского напруженого стану. Проведено чисельне моделювання процесів накопичення пошкоджень у пластинах з коловими надрізами, виготовлених з жароміцного сплаву CMSX-4. Порівнюються розподіли параметру пошкоджуваності за пластиною, отримані при використанні класичного рівняння для параметру пошкоджуваності Качанова-Работнова та запропонованого у даній роботі для широкого діапазону напружень. Показано, що врахування іншої, підвищеної швидкості накопичення пошкоджень в областях з малим рівнем напружень в аналізі довготривалої міцності призводить до істотного скорочення часу до завершення прихованого руйнування. Продемонстровано, що у випадку застосування модифікованого еволюційного рівняння зони з високим рівнем пошкоджуваності розповсюджується по всьому об'єму пластини, що може свідчити про подальше швидке руйнування. Запропонований підхід до модифікації еволюційного рівняння для параметру пошкоджуваності можливо використати у разі, коли є інформація щодо реального значення часу до руйнування в експлуатаційних умовах з подальшим виконанням циклу чисельних експериментів для отримання характеристик кривої довготривалої міцності, які будуть закладені у модифіковане еволюційне рівняння.