05.02.09 "Динаміка та міцність машин"

Постійне посилання колекціїhttps://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/19896

Переглянути

Результати пошуку

Зараз показуємо 1 - 10 з 28

Розрахунковий метод оцінювання впливу електромагнітних полів на пружно-пластичне деформування обладнання технологічних приладів
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Лавінський, Денис Володимирович
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.02.09 – динаміка та міцність машин. - Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" МОН України. Харків. 2021. Дисертаційну роботу присвячено розробці нового розрахункового методу оцінювання дії електромагнітних полів на пружно-пластичне деформування складених тіл з урахуванням зв’язаності механічних, електромагнітних та теплових полів, та застосуванню цього методу для дослідження деформування заготовок та обладнання технологічних приладів, які знаходяться під дією імпульсного електромагнітного поля. Велика кількість технічних та технологічних об’єктів експлуатується в умовах дії інтенсивних електромагнітних полів (ЕМП). Технології, які використовують ЕМП, викликають різноманітну силову, теплову дію на матеріали, вплив на магнітні властивості та інше. Найбільш важливим є силовий вплив, який виникає при дії ЕМП на електропровідне тіло та викликає його рух або деформування. Силовий вплив використовується у класі технологічних операцій, які одержали назву магнітно-імпульсна обробка матеріалів (МІОМ). Технологічне оснащення МІОМ деформується разом із заготовками під дією ЕМП, що може призводити до зменшення довговічності та втрати працездатності. Викладені факти свідчать про необхідність застосування розрахункових методів аналізу ЕМП та напружено-деформованого стану (НДС) елементів обладнання технологічних пристроїв МІОМ на етапі проектування та доведення. Таким чином, науково-прикладна проблема, яка полягає у створенні нових розрахункових методів оцінювання дії ЕМП на пружно-пластичне деформування заготовок та обладнання з урахуванням зв’язаності процесів розповсюдження ЕМП та деформування, а також розрахункові дослідження процесів розподілу ЕМП та деформування за умов конкретних технологічних операцій є актуальною, що визначило напрям дисертаційного дослідження. Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному: отримали розвиток розрахункові методи оцінювання пружно-пластичного деформування при дії ЕМП з урахуванням зв’язаності нелінійних механічних, теплових, електромагнітних процесів; надані нові постановки задач та розрахункові моделі щодо аналізу деформування електропровідних тіл на основі комплексного використання підходів і методів теорії термопружно-пластичності, електромагнетизму та теплопередачі, нові умови щодо контактної взаємодії складених тіл за умов дії ЕМП; розглянуто повну систему рівнянь початково-крайових задач та, на підставі енергетичного принципу, загальну варіаційну постановку задач аналізу незворотного термопружно-пластичного деформування систем електропровідних тіл; надано нове скінчено-елементне формулювання ефективного методу розрахункового аналізу пружно-пластичного деформування при дії ЕМП; на основі запропонованого в роботі методу проведено аналіз розподілу кількісних характеристик ЕМП у елементах технологічних пристроїв МІОМ; проведено аналіз пружно-пластичного деформування вигнутих тонкостінних заготовок за умов формоутворення в рамках технологічної операції "заповнення кутів"; проведено комплексний аналіз пружно-пластичного деформування технологічних систем «індуктор – заготовка» для різноманітних типів операцій МІОМ, а також на підставі запропонованого методу одержані кількісні результати, які дозволили зробити оцінки впливу параметрів зовнішнього ЕМП на деформування заготовки та на працездатність індуктору; проведені розрахунки ЕМП та НДС складених прес-форм з вуглець-вуглецевих композитних матеріалів для гарячого пресування порошків тугоплавких сполук; зроблені якісні та кількісні рекомендації щодо можливого створення подібних технологічних систем. У першому розділі надано результати аналізу сучасної наукової літератури за темою дисертаційної роботи. Зроблено висновок про те, що ЕМП є невід’ємною умовою функціонування багатьох технічних та технологічних систем. Найбільш ефективним у технологічних процесах є використання силового впливу ЕМП на оброблюваний об'єкт. Силовий вплив застосовується у прогресивних технологічних операціях МІОМ. Ефективність МІОМ обумовлена досягненням необхідного рівня формозміни заготовки, а також працездатністю та довговічністю технологічних приладів. Для оцінювання цих процесів необхідно проводити розрахунковий аналіз розповсюдження ЕМП та пружно-пластичного деформування. Розвиток теорій та створення моделей розповсюдження взаємозв’язаних полів у пружно-пластичних тілах мотивовані наявністю складних умов роботи елементів сучасної техніки. Потреба у працездатних та довговічних конструкціях для машинобудування та технологічних процесів призвела до розвитку нової галузі теорії взаємозв’язаних фізичних полів, що об'єднує теорію пружно-пластичного деформування і теорію електромагнетизму. Сучасні методи аналізу електромагнітних, теплових полів та пружно-пластичного деформування використовують чисельні методи розрахунку, серед яких найбільш поширеним є метод скінченних елементів (МСЕ). МСЕ застосовується для аналізу розподілення кількісних характеристик ЕМП, теплових полів та пружно-пластичного деформування заготовок за умов МІОМ, при цьому деформування приладів МІОМ зазвичай залишається поза увагою. Проведений аналіз дозволив сформулювати нові задачі дослідження з динаміки та міцності машин за темою дисертаційної роботи, які полягають у створенні ефективного розрахункового методу оцінювання дії ЕМП на пружно-пластичне деформування складених тіл з урахуванням зв’язаності механічних, електромагнітних та теплових полів, та застосування цього методу для дослідження заготовок та обладнання технологічних приладів, які знаходяться під дією імпульсного ЕМП. У другому розділі зроблено загальну постановку проблеми створення розрахункового методу оцінювання дії ЕМП на деформування систем електропровідних тіл. Розглянуті загальні балансові співвідношення, які зв’язують основні характеристики ЕМП, теплового поля та НДС, і надають змогу сформулювати визначальні рівняння та рівняння стану. Розглянуто модель щодо урахування впливу ЕМП на процес деформування тіла та розповсюдження теплового поля для випадку нехтування проявами п’єзо, магнітно-електричних, термо-електричних та термо-магнітних ефектів. Передбачено, що характеристики матеріалу можуть залежати від температури, а магнітна проникність для деяких матеріалів є функцією напруженості магнітного поля. Сформульовано повну систему диференціальних рівнянь початково-крайової задачі пружно-пластичного деформування систем електропровідних тіл при дії ЕМП та наявності теплового поля. Співвідношення для основних характеристик ЕМП прийнято в рамках макроскопічної електродинаміки, співвідношення пластичного деформування прийняті відповідно до асоційованої теорії плину. Явище контактної взаємодії запропоновано враховувати шляхом введення спеціального контактного шару, властивості якого обираються так, щоб коректно моделювати реальні умови взаємодії. На базі принципу стаціонарності повної енергії системи зроблено варіаційне формулювання задачі для випадку пружного деформування та квазістаціонарного розповсюдження ЕМП. Показано, що у випадку, коли зв’язаність механічного поля та ЕМП проявляється лише у наявності електромагнітних сил, то можливе послідовне розв’язання задач визначення компонентів ЕМП та НДС. Для загального випадку розповсюдження ЕМП, нестаціонарного теплового поля та пружного деформування наведено варіаційну постановку. Поширено варіаційну постановку на випадок пластичного деформування за теорією плину, з урахуванням залежності основних характеристик від температури. Запропоновано скінчено-елементну реалізацію, в якості базового обрано вісьмох-вузловий ізопараметричний скінченний елемент із білінійною апроксимацією шуканих функцій. Розглянуто застосування створеного розрахункового методу до низки модельних задач, у яких було відшукано розподілення компонент ЕМП, НДС та температури. Порівняння окремих результатів чисельного розв’язання із аналітичними дозволили зробити висновок про доцільність застосування запропонованого розрахункового методу для аналізу розповсюдження ЕМП, теплового поля та НДС у системах електропровідних тіл із метою оцінювання дії ЕМП на процес деформування. У третьому розділі запропоновано та обґрунтовано загальний підхід до визначення характеристик ЕМП та НДС у технологічних системах МІОМ, згідно до якого передбачається використання запропонованого розрахункового методу для розрахункової схеми, яка має містити індуктор та заготовку. Проведено розв’язання задачі із визначення просторово-часових розподілів основних характеристик ЕМП за умов технологічної операції МІОМ по притягненню тонких заготовок із феромагнітних матеріалів. Зроблено порівняння деяких результатів із відомими результатами аналітичних розв’язків та експериментальних досліджень. Порівняння показало, що результати, одержані за допомогою запропонованого методу є більш наближеними до експериментальних даних, ніж результати аналітичних розв’язків. Розглянута задача із визначення просторово-часових розподілів основних характеристик ЕМП та НДС у елементах технологічних систем МІОМ, призначених для притягнення тонких неферомагнітних заготовок. Розглянуто випадок застосування одновиткового складеного індуктора із допоміжним металевим екраном. На базі проведених розрахунків з розподілу основних характеристик ЕМП були проведені розрахункові дослідження розподілу основних компонент НДС у індукторі та заготовці, що дозволило оцінити вплив ЕМП на процес їх пружно-пластичного деформування. Розрахунки виконані у квазістаціонарному наближенні при значеннях характеристик ЕМП, що відповідали часовому максимуму. Встановлено, що розглянута технологічна система із одновитковим індуктором не задовольняє умовам технологічної операції, оскільки при заданих експлуатаційних характеристиках не досягається умова про виникнення зон пластичних деформацій у заготовці. При варіюванні сили струму у індукторі встановлено, що у заготовці з’являються зони пластичних деформацій, проте і індуктор стає навантаженим настільки, що може втратити працездатність. З огляду на це зроблено висновок, що задовольнити умовам технологічної операції можна у випадку використання багатовиткового індуктора із допоміжним екраном. На основі методу запропонованого у даній роботі визначені основні характеристики ЕМП та НДС тонкостінних вигнутих заготовок за умов технологічної операції «заповнення кутів». Проведені порівняння окремих результатів з розподілу ЕМП із відомими результатами експериментальних досліджень показали достатньо високий ступінь узгодженості та дозволили зробити висновок про доцільність застосування запропонованого у дисертації розрахункового методу до дослідження подібних технологічних систем. На основі аналізу пружно-пластичного деформування вигнутих заготовок та індукторів визначені раціональні характеристики деяких конструкційних та експлуатаційних параметрів технологічної системи. У четвертому розділі проведено комплексне дослідження розподілу компонент ЕМП та пружно-пластичного деформування індукторів та тонких плоских заготовок. Визначення компонентів НДС індукторів та заготовок проводилось у квазістаціонарному наближенні для максимальних значень компонент ЕМП у часовому проміжку. Розглянуті випадки одновиткового індуктора із конічним робочим отвором, який призначено для виправлення дефектів на феромагнітних заготовках та баговиткового індуктора із допоміжним екраном, призначеного для виправлення дефектів на неферомагнітних заготовках. Встановлено, що наявність бандажу знижує навантаженість індуктора, що дозволяє збільшувати експлуатаційні характеристики технологічного процесу без втрати працездатності індуктора. На основі розгляду пружно-пластичного деформування індуктора та заготовки визначені раціональні значення основних конструкційних та експлуатаційних характеристик технологічного процесу. Проведено дослідження пружно-пластичного деформування заготовки та складеного багатовиткового індуктора із урахуванням контактної взаємодії. Визначені діапазони значень експлуатаційних і конструкційних параметрів індуктора, за яких він залишається працездатним. Аналіз пружно-пластичного деформування індуктора разом із заготовкою дозволив встановити межі його застосування та визначити раціональні значення деяких конструкційних та експлуатаційних параметрів. У п'ятому розділі проведено аналіз деформування складених матриць прес-форм з вуглець-вуглецевих композитних матеріалів, призначених для пресування порошків тугоплавких сполук. Проведене розв'язання задачі нестаціонарної теплопровідності за умов різних режимів температурного впливу на прес-форму. Проведено комплексний аналіз деформування із урахуванням контактної взаємодії складених прес-форм двох типів (для виготовлення порожнистих і суцільних виробів) при найбільш небезпечному температурному режимі. Запропоновано перспективну схему пресування порошків високоміцних тугоплавких матеріалів, яка поєднує процес традиційного пресування і електромагнітного пресування. На основі визначених розподілів компонент ЕМП було проведено комплексний аналіз деформування системи «складена прес-форма – індуктор – заготовка». Аналіз розподілу тензорних та векторних компонент процесу деформування дозволив розрахунковим шляхом визначити, що в даному випадку навантаженість елементів прес-форми зменшується, і, відповідно, покращується її працездатність. Запропонований розрахунковий метод аналізу розподілу електромагнітних, теплових полів та НДС електропровідних тіл може використовуватись на етапі розробки елементів нової техніки з метою оцінювання дії ЕМП. Отримані кількісні та якісні закономірності впливу зовнішнього ЕМП на обладнання та заготовки при технологічних операціях МІОМ можуть використовуватись при створенні нових елементів технологічного оснащення з урахуванням взаємодії заготовок та обладнання технологічних приладів. Дисертаційна робота виконана у відповідності до держбюджетних НДР МОН України: «Створення методів для чисельно-аналітичного аналізу повзучості та динаміки континуальних і дискретних механічних систем» (ДР № 0109U002374, 2009-2011 рр.); «Розробка теоретичних основ і методів рішення задач забезпечення міцності та надійності високонавантажених елементів машинобудівних конструкцій» (ДР № 0109U002382, 2012-2014 рр.) та «Розробка математичних моделей і методів рішення нелінійних задач динаміки та міцності елементів конструкцій при дії квазістатичних, динамічних та ударних навантажень» (ДР № 0115U000509, 2015-2017 рр.). Рекомендації щодо вибору раціональних конструкційних параметрів складених прес-форм для пресування порошкових матеріалів були використані в практиці виготовлення подібних прес-форм в ННЦ «ХФТІ» (м. Харків).
Розрахунковий метод оцінювання впливу електромагнітних полів на пружно-пластичне деформування обладнання технологічних приладів
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Лавінський, Денис Володимирович
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.02.09 – динаміка та міцність машин. – Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, Харків, 2021 р. Дисертаційну роботу присвячено розробці нового розрахункового методу оцінювання впливу електромагнітних полів (ЕМП) на пружно-пластичне дефо-рмування складених тіл з урахуванням зв’язаності механічних, електромагнітних та теплових полів, та застосуванню цього методу для дослідження деформування обладнання технологічних приладів, які знаходяться під дією імпульсного ЕМП. Представлено загальну постановку проблеми створення розрахункового методу оцінювання дії ЕМП на деформування систем електропровідних тіл. Розглянуті загальні балансові співвідношення, які зв’язують основні характеристики ЕМП, теплового поля та напружено-деформованого стану (НДС), і надають змогу сформулювати визначальні рівняння. Сформульовано повну систему диференціальних рівнянь початково-крайової задачі пружно-пластичного деформування систем електропровідних тіл при дії ЕМП та наявності теплового поля. Чисельна реалізація методу спирається на метод скінченних елементів (МСЕ). Явище контактної взаємодії запропоновано враховувати шляхом введення спеціального контактного шару, властивості якого обираються так, щоб коректно моделювати реальні умови взаємодії. Запропоновано та обґрунтовано загальний підхід до визначення характеристик ЕМП та НДС у технологічних системах магнітно-імпульсної обробки ма-теріалів (МІОМ), згідно до якого передбачається використання запропонованого розрахункового методу для розрахункової схеми, яка має містити індуктор та заготовку. Проведені розрахунки ЕМП та НДС обладнання технологічних систем МІОМ, за результатами яких визначені раціональні експлуатаційні та конструкційні параметри технологічних операцій.
Термо-напружений стан в’язкопружних гумокордних елементів конструкцій з урахуванням розсіювання енергії при циклічному деформуванні
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Вязовиченко, Юлія Андріївна
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.09 – динаміка та міцність машин. – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Міністерство освіти та науки Харків, 2021. Актуальність. Еластоміри та їхні композити широко використовуються в сучасній інноваційній техніці (таких галузей як автомобільна, авіаційна, енергетична), в будівельній інженерії та технологічному машинобудуванні. Зокрема, армовані еластоміри використовують для виробництва авіаційних та автомобільних шин, антивібраційних елементів (гумові, гумо-металеві пружини), демпферів, еластомірних підшипників, застосовуються у підвісах валів, як прокладки між деталями конструкцій, опорних частин та кріплень. Елементи конструкцій з гумокордних композитів в експлуатації проявляють широкий спектр особливостей, які потрібно враховувати при їх застосуванні, а саме: наявність гіперпружних і в’язкопружних властивостей, виникнення помірних деформацій, температурна чутливість. Аналіз типових застосувань еластомірних елементів конструкцій дозволяє констатувати їх високу динамічну навантаженість, зокрема циклічного характеру, що супроводжується утворенням петель гістерезису та, як наслідок, виникнення явища самонагрівання. В свою чергу, підвищення температури у середині матеріалів викликає суттєві зміни у їхніх механічних властивостях, знижує характеристики міцності, прискорює процеси старіння та деградації, завдає істотного впливу протіканню втомних процесів. Все це призводить до змін у показниках надійності і, як результат впливає на загальний ресурс як окремих елементів, так і відповідальних вузлів та конструкції в цілому. Цей факт робить актуальною задачею розробку ефективних розрахункових підходів вивчення закономірностей протікання циклічних деформаційних та теплових процесів, що супроводжують роботу елементів з в’язкопружних матеріалів, та оцінку їх впливу на термо-напружений стан елементів конструкцій, а також їх надійність в залежності від експлуатаційних умов. Метою роботи є розробка розрахункових методів аналізу процесів циклічного деформування та супроводжуючого дисипативного теплоутворення в гумокордних композитних елементах конструкцій, дослідження їх впливу на термо-напружений стан та аналіз закономірностей протікання цих процесів в елементах конструкцій в умовах експлуатації. При розв’язанні сформульованих на основі вказаної мети завдань було розроблено підхід до аналізу процесів дисипативного теплоутворення у гумокордних композитних елементів конструкцій при їх циклічному деформуванні, який дозволяє оцінити вплив температурного поля на термо- напружений стан, що має наступну наукову новизну: 1. Вперше запропоновано розрахунковий підхід аналізу термо- напруженого стану в’язкопружних гумокордних елементів, який викликаний та супроводжується накопиченням тепла, що формується в наслідок розсіювання енергії за циклічного деформування; 2. Експериментально встановлено залежності параметрів в’язкопружності гумокордних композитів від параметрів циклічного навантаження отримані вперше разом с характеристиками процесів самонагріву, які їх супроводжують, що дозволило здійснити зв’язану постановку задачі теоретичного моделювання Т-НС гумокордних елементів конструкцій; 3. Вперше запропоновано метод та алгоритм розрахунково- експериментальної ідентифікації параметрів в’язкопружності гумокордних елементів конструкції, що, на відміну в існуючих, використовує дані із розсіювання енергії при циклічному деформуванні зразків; 4. Набули подальшого розвитку підходи до комп’ютерного моделювання теплового та НДС пневматичних шин, які на відміну від існуючих, враховують складний цикл деформування в експлуатації та процес самонагріву. З використанням розробленого підходу до вивчення процесів теплоутворення у гумокордних елементах конструкцій були отримані прикладні результати, які мають практичне значення для галузі машинобудування, які полягають у запропонованих методиках побудови моделей багатошарових елементів конструкцій з урахуванням їх основних особливостей та оцінки процесів теплогенерації та Т-НС у них, що формуються під дією циклічних навантажень, а також пакети скрипкових програм, що їх реалізують. Створені розрахункові моделі та визначені основні закономірності формування термо-НДС пневматичних шин в умовах експлуатації, які дають можливість діагностувати небезпечні ділянки конструкції та планувати конструктивні зміни, що в цілому спрямовано на покращення надійності та подовження експлуатаційного ресурсу. Окрему корисно- практичну цінність мають створені алгоритми та програмні застосунки, які реалізують методи визначення дисипативних та в’язкопружних характеристик еластомірних композитів та можуть бути використані для вивчення відповідних характеристик інших матеріалів цього типу. Об’єктом дослідження є процеси формування термо-напруженого стану в гумокордних елементах конструкцій, що працюють в умовах циклічного деформування з урахуванням розсіювання енергії. Предмет дослідження – характеристики в’язкопружності гумокордних матеріалів конструкцій, показники НДС та Т-НС елементів конструкцій з гумокордних композитів. Методи дослідження. Основні теоретичні положення дисертаційної роботи базуються на фундаментальних підходах теорій пружності та в’язкопружності, теплопровідності та термо-пружності. Оцінка циклів НДС проводилась в рамках сучасних засобів комп’ютерного моделювання з використанням методу скінчених елементів (МСЕ), багатошарова структура в них моделювались явно в тривимірній постановці. Експериментальні дослідження матеріалу здійснювалась на установці INSTRON ElectroPuls E3000 Test System. Ідентифікація дисипативних та в’язкопружних характеристик проводилась шляхом обробки експериментальних даних з залученням чисельного моделювання та методу стохастичної оптимізації "0" порядку. Основна частина дисертації включає Вступ, Розділ 1 – "Сучасний стан проблеми", Розділ 2 – "Математична постановка задачі", Розділ 3 – "Експериментальне визначення в’язкопружних характеристик та дослідження процесу самонагріву", Розділ 4 – "Прогнозування самонагріву елементів пневматичних шин" та Висновки, а також містить 72 рисунки та 18 таблиць. У Вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано її мету і задачі, визначено об’єкт, предмет і методи дослідження, наукову новизну та практичну значущість роботи. У Розділі 1 проведено аналіз науково-технічної літератури щодо дослідження підходів до аналізу особливостей роботи в’язкопружних гумокордних елементів конструкцій, протікання у них теплових та деформаційних процесів та їх впливу на термо-напружений стан, міцність та надійність, що стосувались досліджень прикладного та фундаментального характеру по роботі гумокордних композитів та машинобудівних конструкцій з ними. Проаналізовані дослідження, що стосуються в’язкопружної поведінки матеріалів та супроводжуються дисипацією енергії, відмічені факти істотного впливу теплових процесів на пружні та міцнісні характеристики. У розділі окремо представлено аналіз сучасного стану питань дослідження процесів самонагріву, теплопровідності та термопружності. У Розділі 2 Запропоновано єдиний методологічний підхід до розрахункової оцінки Т-НС в’язкопружних гумокордних елементів конструкцій, який викликаний та супроводжується накопиченням тепла в наслідок розсіювання енергії під час циклічного деформування, що дозволяє визначити розподіл температурного поля в елементах конструкцій за складного експлуатаційного циклу навантаження. У Розділі 3 представлено результати проведення та обробки власних експериментальних досліджень з визначення дисипативних та в’язкопружних характеристик зразків матеріалу на різних режимах циклічного навантаження. Встановлені залежності цих параметрів від характеру навантаження. Проведено чисельно-розрахункові дослідження з уточнення знайдених параметрів використовуючи оптимізаційну процедуру. Вивчено закономірності протікання процесів самонагріву гумокордних композитів на прикладі зразків армованих текстильним кордом. Протестовано ефективність запропонованого підходу на прикладі циклічного деформування зразків. У Розділі 4 проведено дослідження теплових процесів конструкції в експлуатації на прикладі пневматичної шини марки 205/55R16, вирішено практичну задачу оцінки термо-напруженого стану у шині. Досліджено НДС шини на різних режимах навантаження. Визначено рівні теплогенерації в залежності від характеру навантаження. Проведено дослідження протікання теплових процесів у конструкції в експлуатації внаслідок розсіювання енергії. Виявлено ступінь впливу наявного температурного поля на НДС конструкції. У Висновках зазначено науково-практичні задачі, що були розв’язані в роботі, викладені найбільш важливі наукові та практичні результати, надані рекомендації щодо впровадження результатів дослідження.
Термо-напружений стан в’язкопружних гумокордних елементів конструкцій з урахуванням розсіювання енергії при циклічному деформуванні
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Вязовиченко, Юлія Андріївна
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.09 – динаміка та міцність машин. – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2021. Дисертаційна робота присвячена розв’язанню актуальної науковоприкладної задачі, що полягає у розробці розрахункових підходів вивчення закономірностей протікання теплових процесів у гумокордних композитних елементах конструкцій, що супроводжують роботу елементів з в’язкопружних матеріалів, та оцінки їх впливу на термо-напружений стан. Підхід базується на методу скінченних елементів та послідовному вирішенні задачі циклічного деформування конструкції в експлуатації при різних рівнях навантаження та її теплового стану Проведено експериментальні дослідження в’язкопружних характеристик та показників тепловиділення однонаправленного гумокордного композиту. Вирішено прикладну практичну задачу розрахунку термо-напруженого стану пневматичної шини в експлуатації, виявлено ступінь впливу наявного температурного поля на НДС конструкції.
Прогнозування надійності елементів конструкцій з локальними корозійними пошкодженнями на основі статистичної оцінки статичної та циклічної міцності
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2019) Потопальська, Ксенія Євгенівна
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.09 – динаміка та міцність машин (13 – механічна інженерія). – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Міністерство освіти та науки Харків, 2019. Актуальність. Машинобудівні конструкції, що застосовуються в енергетиці, працюють в умовах інтенсивних циклічних навантажень та дії агресивних зовнішніх або робочих середовищ. Тривала експлуатація конструкцій у таких умовах призводить до корозійного зношення або формування об’ємних дефектів на робочих поверхнях, стоншення стінок корпусних деталей тощо. Це призводить до появи зон додаткової набутої локалізації напружено-деформованого стану (НДС) у елементах конструкцій, що здатні суттєво відрізнятись від проектних значень, та разом із циклічним характером навантаження призводить до інтенсивного накопичення втоми матеріалу і викликає відмову. Несвоєчасне їх виявлення може стати причиною виникнення аварійних ситуацій, екологічних катастроф, завдати суттєвих споживчих збитків. Прогнозування показників надійності елементів таких конструкцій є актуальною проблемою, вирішення якої дає можливість попередити їх раптові відмови, спланувати ремонтні роботи, оцінити експлуатаційні ризики тощо. Метою дослідження є розробка розрахункових підходів до прогнозування надійності та оцінки залишкового ресурсу елементів конструкцій, що використовуються в транспортуванні енергоносіїв та в енергетичному машинобудуванні, та які мають набуті пошкодження корозійної природи на основі статистичної оцінки концентрації напружено-деформованого стану і процесів накопичення втоми. При розв’язанні сформульованих на основі вказаної мети завдань було удосконалено підхід до оцінки надійності елементів конструкцій, які використовуються в транспортуванні енергоносіїв та енергетичному машинобудуванні з корозійно пошкодженими ділянками, які дозволяють спрогнозувати можливий розвиток корозійних пошкоджень процеси накопичення втоми, що мають наступну наукову новизну: Отримані нові закономірності, щодо впливу об’ємних дефектів корозійної природи на концентрацію напружень в елементах конструкцій, які використовуються при транспортуванні енергоносіїв та в енергетичному машинобудуванні за різних параметрів цих дефектів на криволінійних ділянках конструкцій; 1. Вперше отримані статистичні оцінки щодо можливої варіації концентрації напружень в елементах конструкцій, які використовуються при транспортуванні енергоносіїв та в енергетичному машинобудуванні в умовах прогнозу можливого стохастичного розвитку корозії у часі та з урахуванням експлуатаційної варіації циклічного навантаження. 2. Знайшли подальший розвиток статистичні моделі та методи оцінки процесу розвитку пошкоджуваності при багато- та мало-цикловій втомі, що на відміну від існуючих моделей враховують випадкову зміну параметрів НДС в часі, яка викликана формуванням концентрації напружень навколо об’ємних поверхневих дефектів. 3. Вперше встановлено закономірності впливу наявності корозійних дефектів різного ступеня розвитку на прогноз надійності залишкового ресурсу елементів конструкційна основі удосконалених статистичних моделей оцінки процесу накопичення втомних пошкоджень. З використанням розробленого підходу до прогнозування надійності елементів конструкцій були вирішені наступні практичні задачі: 1. Визначено параметри пошкоджуваності та кількість циклів до відмови коліна трубопроводу з тривимірним поверхневим дефектом середніх розмірів з урахуванням експлуатаційної варіації навантаження, які мають значення в межах від 1 до 50 циклів (до 1,5 років) при максимально можливому навантажені та від 70 до 470 циклів (від 2 до 10 років) при мінімальному навантажені у трубопроводі з дефектом середніх розмірів, А у випадку дефекту, що стохастично розвивається кількість циклів до відмови складає від 42 до 700 (від 14 місяців до 20 років) при максимально можливому навантаженні. 2. Досліджено вплив композиційного бандажу на ресурс трубопроводу з дефектом середніх розмірів. Проведені розрахунки для визначення раціональних розмірів композиційного бандажу для криволінійної частини трубопроводу з дефектом із середніми розмірами. Визначено значення внутрішнього тиску, при якому еквівалентні напруження досягають границі міцності у трубопроводі з бандажем різної товщини (від 25 мм до 175 мм). Встановлено, що при наявності бандажу 75 мм при глибині дефекту менше ніж 40 % від товщини трубопроводу еквівалентні напруження зменшуються на 10 % та при максимально можливому навантаженні не виникають пластичні деформації. У випадку глибини дефекту більше ніж 40 % від товщини трубопроводу у трубопроводі еквівалентні напруження зменшуються від 25% до 50% при різних розмірах дефекту відповідно та дорівнюють границі плинності Кількість циклів до відмови при використанні композиційного бандажу збільшилась у 100 разів, що робить можливою подальшу експлуатацію трубопроводу. 3. Проведено оцінку залишкової міцності насоса, який використовується в енергетичному машинобудуванні з урахуванням зменшення товщини стінок корпусних деталей від ерозійно-корозійного зносу. Визначено НДС конструкції при стоншенні стінок корпусу від 10% до 30%, яке можливо при тривалій експлуатації. Отримані значення кількості циклів до відмови при урахуванні накопичення втомних пошкоджень та впливу експлуатаційного зносу конструкції. Об’єктом дослідження є процеси накопичення нелокалізованої втомної пошкоджуваності, а також вплив наявності та розвитку у часі локалізованих корозійних дефектів на міцність та надійність елементів конструкцій, які використовуються при транспортуванні енергоносіїв та в енергетичному машинобудуванні. Предмет дослідження – показники надійності, а також ймовірнісні характеристики параметрів НДС та втомної пошкоджуваності, які накопичуються в елементах конструкцій, що досліджуються, з урахуванням наявності та прогнозу стохастичного розвитку корозійних дефектів в них. Основна частина дисертації включає Вступ, Розділ 1 – "Аналіз сучасних підходів до вирішення задач надійності елементів конструкцій з набутими пошкодженнями", Розділ 2 – "Теоретичні основи моделювання елементів конструкцій з дефектами корозійного типу", Розділ 3 – "Імовірнісне оцінювання міцності та надійності трубопроводів із корозійними дефектами та прогноз їх залишкового ресурсу", Розділ 4 – "Аналіз можливості підвищення надійності конструкції шляхом використання композитних ремонтних накладок", Розділ 5 – "Оцінка залишкового ресурсу корпусних елементів насосів енергетичної системи" та Висновки, а також містить 72 рисунки та 18 таблиць. У Вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано її мету і задачі, визначено об’єкт, предмет і методи дослідження, наукову новизну та практичну значущість роботи. У Розділі 1 представлено аналіз робіт, які спрямовані на прогнозування надійності елементів конструкцій у машинобудуванні, здійснено аналіз науково-технічної літератури щодо дослідження корозійно пошкоджених елементів конструкцій, що використовуються в транспортуванні енергоносіїв та в енергетичному машинобудуванні. Виділено основні методи для визначення залишкового ресурсу конструкцій, які використовуються в транспортуванні енергоносіїв та енергетичному машинобудуванні та мають набуті в експлуатації дефекти. Проаналізовано підходи до оцінки накопичення втомної пошкоджуваності. У Розділі 2 представлено теоретичні основи розв’язання задачі статистичної оцінки елементів конструкцій із пошкодженнями, зокрема, оцінка прогнозованих габаритних розмірів дефектів при статистичному моделюванні та визначено методологію дослідження. Наведено вирішення задачі пружно-пластичного деформування з кінематичним зміцненням при кусково-лінійній діаграмі деформування. Визначено залежності кінетики росту розмірів корозійного дефекту у трьох напрямах у часі, а також, що його габаритні розміри у фіксований момент часу, випадкові та підпорядковуються лог-нормальному закону розподілення. В рамках континуальної механіки пошкоджуваності удосконалені методи оцінки надійності та прогнозу залишкового ресурсу пошкоджених ділянок елементів конструкцій. У Розділі 3 розроблено параметричні математичні моделі визначення напружено-деформованого стану криволінійної частини трубопроводу за наявності тривимірного поверхневого дефекту корозійного характеру. Здійснено дослідження особливостей формування концентрації напружень в пошкоджених ділянках елементів конструкцій із урахуванням експлуатаційної варіації навантаження та стохастичного характеру розвитку корозійного пошкодження. З використанням розробленого підходу до прогнозування надійності елементів конструкцій визначено параметри пошкоджуваності та кількість циклів до відмови коліна трубопроводу з тривимірним поверхневим дефектом, що розвивається у часі із урахуванням експлуатаційної варіації навантаження. У Розділі 4 досліджено вплив композиційного бандажу на ресурс трубопроводу з дефектом. Для визначення раціональних розмірів композиційного бандажу проведено розрахунки криволінійної частини трубопроводу з дефектом з розмірами, які були отримані під час діагностики трубопроводу, що знаходиться в експлуатації. Здійснені розрахунки для визначення раціональних розмірів композиційного бандажу для криволінійної частини трубопроводу з дефектом із середніми розмірами. Відповідно до розробленої математичної моделі накопичення втомних пошкоджень визначено кількість циклів до відмови при використанні композиційного бандажу на криволінійній частині трубопроводу з дефектом середніх розмірів. У Розділі 5 здійснено оцінку залишкової міцності насоса, який використовується в енергетичному машинобудуванні з урахуванням зменшення товщини стінок корпусних деталей від ерозійно-корозійного зносу. На основі розробленої математичної моделі накопичення втомних пошкоджень та з використання отриманих результатів об НДС конструкції визначено параметр пошкоджуваності для усіх можливих рівнів стоншення стінки конструкції. Проведено дослідження щодо оцінки надійності даних конструкцій з урахуванням ерозійно-корозійного зносу. У Висновках зазначено науково-практичні задачі, що були розвязані в роботі, викладені найбільш важливі наукові та практичні результати, надані рекомендації щодо впровадження результатів дослідження.
Прогнозування надійності елементів конструкцій з локальними корозійними пошкодженнями на основі статистичної оцінки статичної та циклічної міцності
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2019) Потопальська, Ксенія Євгенівна
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.09 – динаміка та міцність машин. – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2019. Дисертаційна робота присвячена розв’язанню актуальної науково-прикладної задачі, яка полягає у розвитку методів комп’ютерного аналізу залишкової міцності та прогнозування надійності елементів конструкцій енергетичного машинобудування, які за час тривалої експлуатації отримали корозійне зношення чи локальні пошкодження. Дослідження здійснені в рамках статистичних методів моделювання, а оцінка характеристик напружено-деформованого стану пошкоджених елементів конструкцій проводилась на основі методу скінчених елементів у тривимірній постановці. Розроблено підхід для теоретичної статистичної оцінки процесів накопичення втоми, який покладено в основу розрахункового методу прогнозу надійності елементів конструкцій, які мають набуті пошкодження корозійної природи на основі статистичної оцінки концентрації напружено-деформованого стану і процесів накопичення втоми. Здійснено комплексні дослідження можливих рівнів концентрації напружень у пошкоджених ділянках конструкцій з урахуванням експлуатаційної варіації навантаження та стохастичного характеру розвитку пошкодження корозійної природи. Виконано практичні розрахункові дослідження надійності елементів конструкцій, які використовуються у транспортуванні енергоносіїв та енергетичному машинобудуванні, що дало можливість розробити рекомендації щодо можливого подовження строку їхньої роботи та можливості відновлення працездатності.
Забезпечення міцності тонкостінних конструкцій із підвищеними технічними характеристиками
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2019) Шейченко, Роман Ігорович
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук (доктора філософії) за спеціальністю 05.02.09 "Динаміка та міцність машин" (13 – Механічна інженерія). – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Харків, 2019. Потреби сучасної промисловості, транспорту і сфери послуг у інноваційних виробах із підвищеними техніко-економічними характеристиками останнім часом різко зростають. При цьому велику частку серед такої продукції займають тонкостінні машинобудівні конструкції, у яких раціонально поєднуються масові і характеристики міцності. У той же час на багато виробів (літаки, судна, рухомий склад залізниць, крани, перевантажувачі, ємності високого тиску, апарати хімічної промисловості, устаткування агропромислового комплексу) поширюються суворі офіційні правила і норми, спрямовані, у першу чергу, на забезпечення безпеки експлуатації. Відповідно, при проектних дослідженнях використовуються усталені методики розрахунку, а також традиційні технічні рішення. Незважаючи на тиск сталої практики, що схиляється до створення виробів у вигляді «клонів» давно створених аналогів, діє також протилежна тенденція. Вона породжується загальним прагненням до прогресу, навіть у консервативних областях діяльності, а також економічними міркуваннями. Більш того, багато споживачів інноваційних виробів установлюють свої додаткові вимоги до продукції, що спрямовані на продовження терміну служби конструкцій, підвищення їхньої продуктивності, інтенсивності експлуатаційних режимів або навантажувальної здатності. У цих обставинах, окрім нормативних обмежень, з’являються додаткові, що ускладнює виконання вимог до проектованих конструкцій. Таким чином, виникла і посилюється у своїй актуальності та важливості науково-практична задача розробки методів забезпечення міцності інноваційних тонкостінних машинобудівних конструкцій при дії комплексу експлуатаційних навантажень. Її постановка, розв’язання та впровадження у практику проектних досліджень склала мету, зміст і напрями дисертаційних досліджень. У дисертаційній роботі розв’язана науково-технічна задача, яка полягає в удосконалення методів і моделей для проектного забезпечення міцності тонкостінних машинобудівних конструкцій при дії комплексу експлуатаційних навантажень. У роботі для аналізу напружено-деформованого стану тонкостінних машинобудівних конструкцій застосовуються співвідношення теорії пружності і методу скінченних елементів. Формування геометричної форми досліджуваних конструкцій здійснювалося методами твердотільного і поверхневого моделювання. Для варіативної зміни структури і розмірів досліджуваних об’єктів адаптовано і розвинено метод узагальненого параметричного моделювання стосовно інноваційних тонкостінних машинобудівних конструкцій. Експериментальні дослідження здійснювалися методами тензометрії та акселерометрії. У ході виконання дисертаційного дослідження отримано наступні наукові результати: 1) проведено аналіз умов експлуатації, нормативних вимог, а також методів розрахунку тонкостінних машинобудівних конструкцій з урахуванням обмежень на міцність, і на цій основі визначені напрями дисертаційних досліджень; 2) удосконалено методи і моделі для обґрунтування проектних параметрів інноваційних тонкостінних машинобудівних конструкцій за критеріями міцності при дії комплексу експлуатаційних навантажень із урахуванням нормативних обмежень; 3) здійснено розв’язання низки прикладних задач проектного обґрунтування технічних рішень для тонкостінних машинобудівних конструкцій за критеріями міцності та довговічності; 4) здійснено розрахунково-експериментальні дослідження напружено- деформованого стану інноваційних тонкостінних машинобудівних конструкцій, які спроектовано на основі рекомендацій із застосуванням результатів дисертаційних досліджень; 5) впроваджено результати досліджень у виробництво.
Забезпечення міцності тонкостінних конструкцій із підвищеними технічними характеристиками
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2019) Шейченко, Роман Ігорович
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.09 – динаміка таміцність машин. Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Міністерство освіти і науки України, Харків, 2019. Дисертація присвячена удосконаленню методів і моделей для проектного забезпечення міцності тонкостінних машинобудівних конструкцій при дії комплексу експлуатаційних навантажень. Обґрунтування раціональних параметрів і конструктивних рішень ТСМБК здійснюється за критеріями мінімізації маси, зниження напружень, підвищення терміну експлуатації. Ураховуються апроксимації залежностей критеріальних величин, що поступово локалізуються, від варійованих параметрів. Узагальненими параметрами виступають структура, проектно-технологічні рішення ТСМБК, конструктивні параметри і експлуатаційні режими. При цьому забезпечується розв’язання задач одиничного аналізу, багатоваріантних досліджень, а також обґрунтування раціональних проектно-технологічних рішень. На розвиток відомих підходів розглянуті наступні узагальнення: уніфікація, доцільність, ефективності, ідентифікація навантажень, верифікація, прогнозування, відлаштування. Здійснена також алгоритмізація запропонованих методів розрахунку НДС тонкостінних машинобудівних конструкцій на основі поєднання переваг універсальних і спеціальних систем. Проведено розв’язання низки прикладних задач. Обґрунтовано раціональні проектні параметри інноваційних ТСМБК. Представлено результати експериментальних досліджень інноваційних вагону-цистерни, вагону-платформи і крана-перевантажувача, які спроектовано і виготовлено на основі впровадження рекомендацій за підсумками дисертаційних досліджень.
Динаміка роторів турбомашин в пасивних і активних магнітних підшипниках
(НТУ "ХПІ", 2018) Мартиненко, Геннадій Юрійович
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.02.09 – динаміка та міцність машин (13 – механічна інженерія). – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Міністерство освіти і науки України, Харків, 2018. Дисертаційна робота присвячена вирішенню науково-прикладної проблеми зі створення нового загального способу математичного опису динамічної поведінки роторів в системах з магнітними підшипниками різних типів, який відрізняється узагальненістю підходу і повнотою врахування нелінійного взаємозв'язку процесів, що відбуваються в такій системі – електричних, магнітних і механічних, що дозволяє домогтися можливості адекватного моделювання та пошуку різних динамічних явищ і режимів роботи для знаходження раціональних або оптимальних варіантів конструкцій роторних машин зі зниженою віброактивністю і підвищеною надійністю, а також верифікація цього способу за допомогою порівняльного аналізу для експериментальної лабораторної моделі, що реалізує комбінований пасивно-активний магнітний підвіс ротора, і практичне його використання для аналізу та синтезу складних промислових роторних машин з магнітними підшипниками. На основі розроблених способів, методик, алгоритмів і засобів моделювання, розрахунку та аналізу силових і жорсткісних характеристик пасивних і активних МП, а також динамічних характеристик роторів, встановлених в них, створено новий науково обґрунтований комплексний підхід до синтезу систем обпирання роторів турбомашин в повних магнітних підвісах, виходячи з результатів поглибленого варіантного аналізу роторної динаміки, який відрізняється повнотою врахування різних чинників, властивостей і явищ, в тому числі нелінійних, підтверджений реалізацією лабораторної роторної установки з повним пасивно-активним магнітним підвісом і узгодженістю з достатньою точністю розрахункових і експериментальних даних, що має новизну, достовірність, теоретичне і практичне значення, та дозволяє знизити вібраційну навантаженість машини, її вартість і експлуатаційні витрати, підвищити динамічну стійкість, надійність і безвідмовність, а значить і конкурентоспроможність.
Динаміка роторів турбомашин в пасивних і активних магнітних підшипниках
(НТУ "ХПІ", 2018) Мартиненко, Геннадій Юрійович
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.02.09 – динаміка та міцність машин (13 – механічна інженерія). – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Міністерство освіти і науки України, Харків, 2018. Дисертаційна робота присвячена вирішенню науково-прикладної проблеми зі створення нового загального способу математичного опису динамічної поведінки роторів в системах з магнітними підшипниками різних типів, який відрізняється узагальненістю підходу і повнотою врахування нелінійного взаємозв'язку процесів, що відбуваються в такій системі – електричних, магнітних і механічних, що дозволяє домогтися можливості адекватного моделювання та пошуку різних динамічних явищ і режимів роботи для знаходження раціональних або оптимальних варіантів конструкцій роторних машин зі зниженою віброактивністю і підвищеною надійністю, а також верифікація цього способу за допомогою порівняльного аналізу для експериментальної лабораторної моделі, що реалізує комбінований пасивно-активний магнітний підвіс ротора, і практичне його використання для аналізу та синтезу складних промислових роторних машин з магнітними підшипниками. На основі розроблених способів, методик, алгоритмів і засобів моделювання, розрахунку та аналізу силових і жорсткісних характеристик пасивних і активних МП, а також динамічних характеристик роторів, встановлених в них, створено новий науково обґрунтований комплексний підхід до синтезу систем обпирання роторів турбомашин в повних магнітних підвісах, виходячи з результатів поглибленого варіантного аналізу роторної динаміки, який відрізняється повнотою врахування різних чинників, властивостей і явищ, в тому числі нелінійних, підтверджений реалізацією лабораторної роторної установки з повним пасивно-активним магнітним підвісом і узгодженістю з достатньою точністю розрахункових і експериментальних даних, що має новизну, достовірність, теоретичне і практичне значення, та дозволяє знизити вібраційну навантаженість машини, її вартість і експлуатаційні витрати, підвищити динамічну стійкість, надійність і безвідмовність, а значить і конкурентоспроможність.