Дисертації та автореферати

Постійне посилання на розділhttps://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/16999

Електронна повнотекстова колекція авторефератів та дисертацій, упорядкована за назвами спеціальностей

Переглянути

Результати пошуку

Зараз показуємо 1 - 10 з 15

Забезпечення надійності поршня форсованого транспортного дизеля шляхом врахування повзучості матеріалу
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2024) Ликов, Сергій Валентинович
Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної науково-технічної задачі, пов'язаної з підвищенням надійності роботи поршнів з алюмінієвим корпусом у високофорсованих двигунах. Мета роботи – забезпечити надійну роботу поршня форсованого дизеля за рахунок: – врахування процесів повзучості, які виникають при високих робочих температурах під час експлуатації двигуна; – шляхом створення моделі параметричної надійності твірної поверхні алюмінієвого корпусу поршня; – удосконалення існуючої моделі надійності за рахунок залучення розробленої моделі параметричної надійності корпусу поршня шляхом використання додаткового критерію не перевищення порогу повзучості матеріалу. Об’єкт дослідження – процеси втрати параметричної і фізичної надійності бічної поверхні корпусу поршня при комплексному врахуванні чинників, вимог та обмежень щодо його створення та використання в умовах нестаціонарних термічних навантажень високофорсованих дизелів для транспортних наземних машин. Предмет дослідження – закономірності, що характеризують процес термічного навантаження та його вплив на повзучість матеріалів корпусу поршня, температурний і напружено-деформований стан у поршні високофорсованого дизеля для транспортних наземних машин. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначені задачі дослідження, показано зв’язок роботи з науковими темами, наведено дані про наукову новизну, практичне значення, апробацію результатів та публікації. Сформульовані мета і задачі дослідження. У першому розділі проведено аналіз сучасного стану проблематики з підвищення надійності поршнів. Розглянуті питання напружено-деформованого стану поршня, головні аспекти підвищення надійності, шляхи, методики та підходи які пропонуються для вирішення цього питання в Україні та в світі. Описано методи дослідження напружено-деформованого стану, експериментальні методи дослідження деформації та температури, розрахунковий метод дослідження. Виконано аналіз та описано конструкції поршнів сучасних двигунів, які добре зарекомендували себе під час експлуатації. У другому розділі розглянуто матеріали складеного поршня високофорсованого спеціального дизеля та проблеми, які виникають зараз при спробах подальшого форсування двигуна, а також проведено загальний розгляд проблем надійності поршнів високофорсованих двигунів та сформульовано завдання для успішного вирішення поставленої задачі шляхом залучення відомих методів і методик оцінки повзучості поршневих алюмінієвих сплавів. Виконано аналіз проблем втрати параметричної і фізичної надійності та термонапруженого стану характерних зон поршня. Проведено удосконалення моделі прогнозування надійності теплонапружених зон деталей циліндро- поршневої групи. Описано вплив процесу повзучості матеріалу на параметричну надійність та запропоновано використовувати методику визначення порогу повзучості. При цьому пропонується розглядати на самому початку експлуатації стан матеріалу як незміцнений, а у подальшому як зміцнений, виходячи з рівня розрахованого згідно використаної методики порогу повзучості в залежності від температури в дослідній зоні. У третьому розділі представлені результати розрахункового дослідження термонапруженого стану поршнів високофорсованих двигунів з урахуванням властивостей процесу повзучості. Виконано порівняння процесів повзучості поршневих алюмінієвих сплавів АК4 та АК12М2МгН (АЛ25) під впливом температури і представлено результати визначення порогу повзучості для сплаву АК4. Проведено оцінку параметричної надійності бокової поверхні поршня з урахуванням зміцнення матеріалу у часі. У четвертому розділі виконано аналіз рекомендацій з підвищення параметричної та фізичної надійності поршнів. Запропоновано та описано тепловий стенд за допомогою якого можна реалізувати представлені рекомендації для підвищення параметричної та фізичної надійності поршнів з алюмінієвих сплавів АК4 та АК12М2МгН (АЛ25) завдяки модифікації фізичного стану матеріалу. У висновках наведено основні результати роботи щодо вирішення поставлених задач дослідження. В дисертації отримані наступні наукові результати: 1. Вперше були встановлені коефіцієнти математичної моделі опису перших двох стадій повзучості для матеріалу АК4, що дозволяє виконувати порівняльний аналіз деформації та швидкості повзучості для сплавів АК4 та АК12М2МгН (АЛ25). 2. Вперше встановлені відмінності для порогів повзучості незміцненого та зміцненого в часі матеріалу поршневих алюмінієвих сплавів АК4 та АК12М2МгН (АЛ25). 3. Вперше шляхом залучення критерію визначення порогу повзучості незміцненого та зміцненого у часі матеріалу було обґрунтовано та виконано удосконалення методики визначення параметричної та фізичної надійності бічної поверхні поршня для підвищення працездатності та забезпечення надійності алюмінієвих поршнів високофорсованих дизелів. 4. Вперше для модифікації матеріалу від рівня порогу повзучості незміцненого стану матеріалу до рівня порогу повзучості зміцненого стану матеріалу запропонували продукування у заготовці нерівномірного просторового теплонапруженого стану на тепловому стенді, що дозволило забезпечити надійність та підвищити працездатність алюмінієвих поршнів для високофорсованих двигунів при створенні нових зразків, або під час їх модернізації. Результати теоретичних досліджень підтвердженні розрахунковими результатами удосконаленої моделі параметричної надійності поршня. Використання розробленої методики дозволяє підвищити надійність поршнів під час проектування нових зразків та при модернізації існуючих прототипів. Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному: – удосконаленні моделі прогнозування надійності теплонапружених зон поршня шляхом використання концептуальних положень з забезпечення надійності поршнів високофорсованих двигунів; – отриманні значення змінного у часі порогу повзучості сплаву АК4 і доведено його перевагу перед поршневим алюмінієвим сплавом АК12М2МгН (АЛ25) при температурах 250 °С і вище; – отримані рівнянь з визначення змінних в часі порогів повзучості в залежності від діючої температури; – представлено конструкцію теплового стенду для модифікації структури матеріалу заготовок поршнів і подано заявку на патент (№ МПК C22F 1/04…– u202305560; заявл. 20.11.2023.). Результати дисертаційної роботи використані на ДП «Завод імені В.О. Малишева» (м. Харків) при впровадженні нових розрахункових методик з підвищення надійності поршнів високофорсованих двигунів (акт про впровадження від 27.05.2024 р.) та передані до використання на кафедру двигунів та гібридних енергетичних установок НТУ «ХПІ» у бакалаврських та магістерських освітніх програмах навчання (акт впровадження від 05.06.2024 р.). The dissertation is devoted to the solution of an actual scientific and technical problem related to increasing the reliability of pistons with an aluminum body in highperformance engines. The purpose of the work - to ensure reliable operation of high-performance diesel piston due to: – consideration of creep processes that occur at high operating temperatures during engine operation; – by creating a parametric reliability model of the forming surface of the aluminum piston housing; – improvement of the existing reliability model due to the involvement of the developed parametric reliability model of the piston body by using the additional criterion of not exceeding the creep threshold of the material. The object of the study is the process of loss of parametric and physical reliability of the side surface of the piston body with the comprehensive consideration of factors, requirements and limitations regarding its creation and use in conditions of non-stationary thermal loads of high-performance diesel engines for ground transport vehicles. The subject of the study is the regularities characterizing the process of thermal loading and its influence on the creep of the materials of the piston body, the temperature and stress-strain state in the piston of a high-performance diesel engine for ground transport vehicles. The introduction substantiates the relevance of the dissertation topic, defines research tasks, shows the connection of the work with scientific topics, provides data on scientific novelty, practical significance, approval of results and publications. The goal and objectives of the research are formulated. In the first chapter, an analysis of the current state of the problem of increasing the reliability of pistons is carried out. The issues of the stress-strain state of the piston, the main aspects of increasing reliability, the ways, methods and approaches proposed to solve this issue in Ukraine and in the world are considered. Some methods of studying the stress-strain state, experimental methods of studying deformation and temperature, and a calculation method of research are described. The design of pistons of modern engines, which have proven themselves well during operation, is analyzed and described. In the second chapter examines the materials of the compound piston of a highperformance special diesel engine and the problems that arise now when attempting to further boost the engine, and also conducts a general review of the reliability problems of the pistons of high-performance engines and formulates a task for successfully solving the task by involving well-known methods and techniques for evaluating the creep of piston aluminum alloys. The analysis of the problems of loss of parametric and physical reliability and the thermal stress state of characteristic areas of the piston was performed. The model for predicting the reliability of heat-stressed zones of parts of the cylinder-piston group has been improved. The influence of the material creep process on parametric reliability is described, and the method of determining the creep threshold is proposed. At the same time, it is proposed to consider the state of the material as unstrengthened at the very beginning of operation, and as strengthened later on, based on the level of the creep threshold calculated according to the used methodology, depending on the temperature in the research area. In the third section presents the results of a calculated study of the thermal stress state of the pistons of high-performance engines, taking into account the properties of the creep process. A comparison of the creep processes of piston aluminum alloys AK4 and AK12M2MgN (AL25) under the influence of temperature was performed, and the results of determining the creep threshold for the AK4 alloy were presented. The parametric reliability of the side surface of the piston was evaluated taking into account the strengthening of the material over time. In the fourth section analyzes the recommendations for increasing the parametric and physical reliability of pistons. A thermal stand is proposed and described, with the help of which it is possible to implement the presented recommendations for increasing the parametric and physical reliability of pistons made of aluminum alloys AK4 and AK12M2MgN (AL25) due to the modification of the physical state of the material. In the conclusions, the main results of the work on solving the set research problems are given. The research has yielded the following scientific results: 1. For the first time, the coefficients of the mathematical model describing the first two stages of creep for the AK4 material were established, which allows performing a comparative analysis of the deformation and creep rate for the AK4 and AK12M2MgN (AL25) alloys. 2. For the first time, differences were established for the creep thresholds of unhardened and time-hardened material of piston aluminum alloys AK4 and AK12M2MgN (AL25). 3. For the first time, by including the criterion for determining the creep threshold of unstrengthened and time-hardened material, the method of determining the parametric and physical reliability of the side surface of the piston was substantiated and improved in order to increase the performance and ensure the reliability of aluminum pistons of high-performance diesel engines. 4. For the first time, in order to modify the material from the level of the creep threshold of the unstrengthened state of the material to the level of the threshold of creep of the strengthened state of the material, it was proposed to produce a nonuniform spatial thermal stress state in the workpiece on a heat bench, which made it possible to ensure the reliability and increase the performance of aluminum pistons for high-performance engines when creating new samples, or under time for their modernization. The results of theoretical studies are confirmed by the calculation results of the improved model of the parametric piston reliability. The use of the developed methodology makes it possible to increase the reliability of pistons during the design of new samples and during the modernization of existing prototypes. The practical significance of the obtained results is as follows: – improved models for predicting the reliability of heat-stressed areas of the piston by using conceptual provisions for ensuring the reliability of pistons of highperformance engines; – оbtaining the value of the time-varying creep threshold of the AK4 alloy and proving its superiority over the piston aluminum alloy AK12M2MgN (AL25) at temperatures of 250 °С and higher; – derived equations for determining time-varying creep thresholds depending on the operating temperature; – the construction of a thermal stand for modifying the material structure of piston blanks was presented and a patent application was submitted (No. MPC C22F 1/04 ... – u202305560; application 11/20/2023.). The results of the dissertation work were used at the State Enterprise «Malyshev Plant» (Kharkiv) in the implementation of new calculation methods for increasing the pistons reliability of high-performance engines (implementation act dated 05.27.2024) and transferred to the department of engines and hybrid power plants of NTU «KhPI» for use in bachelor's and master's educational programs training (implementation act dated 06.05.2024).
Підвищення надійності та збільшення ресурсу зварних з'єднань паропроводів і роторів турбін ТЕС
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2023) Касьяненко, Ігор Вікторович
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 132 – Матеріалознавство (13 – Механічна інженерія). – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України, м. Харків, 2023. Роботу виконано на кафедрі «Зварювання» Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України. З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут» за адресою: 61002, м. Харків, вул. Кирпичова, 2. Об’єкт дослідження: структурні перетворення, структурно-фазовий стан, пошкоджуваність і властивості зварних з’єднань паропроводів зі сталей 12Х1МФ і 15Х1М1Ф, а також роторів зі сталі 25Х2НМФА стосовно збільшення надійності і ресурсу їх напрацювання в умовах повзучості і втоми. Предмет дослідження: вплив фізико-хімічних процесів на структурно-фазові перетворення і формування браковочних структур в металі зварних з’єднань паропроводів, зв’язок структури зварних з’єднань паропроводів і роторів з їх властивостями і пошкоджуваністю. Дисертацію присвячено проведенню комплексних досліджень фізико-хімічних процесів, які відбуваються в металі зварних з’єднань паропроводів із сталей 12Х1МФ і 15Х1М1Ф і забезпечують структурно-фазові зміни. Наведені дослідження проводили стосовно зварних з’єднань паропроводів і роторів турбін, які довготривало працюють в умовах повзучості і втоми, а також підвищених робочих навантажень. Обґрунтували, що структурно-фазові зміни сприяють пошкоджуваності зварних з’єднань, яка відбувається за механізмами повзучості і втоми. 3 Дослідження особливостей проходження структурно-фазових перетворень надало можливість зменшити їх прояв. Наведений прояв зменшили шляхом отримання вихідної структури зварних з’єднань паропроводів і роторів з покращеними якісними характеристиками їх структури. Для такого покращення використовували удосконалені процеси зварювання, показники яких ґрунтуються на результатах моделювання зварювального нагрівання з’єднань, що виготовляються. Встановили залежність надійної експлуатації зварних з’єднань паропроводів і роторів турбін, а також їх ресурсу від структурно-фазового стану металу зварних з’єднань і наявності пошкоджень у вигляді пор повзучості і тріщин втоми. Дослідження проведені за допомогою сучасних методів аналізу структурно-фазового стану і визначення властивостей зварних з’єднань, а також з використанням моделювання зварювального нагрівання з’єднань, що виготовляються. У вступі обґрунтовано актуальність задач дослідження, показано зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами, поставлена мета та основні задачі дослідження, наведені основні методи дослідження і наукова новизна та сформульовано практичне значення отриманих результатів. У першому розділі на основі вітчизняного і зарубіжного досвіду обґрунтована перспективність дослідження структурно-фазового стану зварних з’єднань паропроводів із теплостійких сталей, які експлуатуються понад 270 тис. год. в умовах повзучості і втоми. У другому розділі подано опис методів, методик, обладнання і матеріалів, що використовувалися в дослідженнях. Наводиться короткий опис удосконаленої технології зварювання і моделювання зварювального нагрівання, використання яких забезпечило отримання зварних з’єднань паропроводів і роторів з покращеною структурою. Для досліджень структури зварних з’єднань використовували методи оптичної і електронної мікроскопії, а також поверхневий мікрозондовий аналіз. Загалом отримані результати структурного аналізу забезпечили оптимізацію умов отримання більш якісних зварних з’єднань паропроводів і роторів. Третій розділ присвячений дослідженню впливу структурно-фазового стану і деформації металу зварних з’єднань паропроводів, які експлуатуються понад 270 тис. год. в умовах повзучості і втоми, на їх пошкоджуваність. Четвертий розділ містить результати досліджень зв’язку структурно-фазового стану довготривало експлуатуємих зварних з’єднань з їх мікропошкоджуваністю в умовах повзучості і втоми. Запропонована шкала визначення залишкового терміну напрацювання зварних з’єднань з наявністю пошкоджуваності їх металу. П’ятий розділ присвячений теоретичному і практичному обґрунтуванню надійності роботи, а також визначенню залишкового ресурсу довготривало працюючих в умовах повзучості і втоми зварних з’єднань паропроводів та роторів турбін ТЕС і АЕС.
Оцінка граничного стану двокомпонентного матеріалу з кулястими включеннями та прогнозування надійності конструкції методами комп'ютерного і математичного моделювання
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Шаповалова, Марія Ігорівна
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 113 "Прикладна математика". – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2021. Дисертаційна робота присвячена створенню математичних методів оцінки міцності елементів конструкції на основі аналізу пружних параметрів матеріалу з урахуванням особливостей його внутрішньої мікроструктури; встановленню залежності розподілу включень від їх концентрації на площині зразка використовуючи технологію комп'ютерного зору та обробки зображень структури матеріалу; застосуванню розроблених підходів до оцінки ймовірнісних показників характеристик матеріалу. Об'єкт дослідження – процес деформування двокомпонентних матеріалів з кулястими включеннями. Предмет дослідження – ймовірнісні характеристики пружних параметрів, граничного стану, як поверхні плинності, при різноманітній концентрації внутрішніх компонентів матеріалу; статистичний прогноз надійності конструкцій з двокомпонентних матеріалів. Теоретичною базою дисертації є методи: обробки зображень (фільтрація, сегментація, нормалізація та розпізнаванням об’єктів); механіки твердого деформованого тіла; теорії ймовірностей та випадкових процесів, теорій надійності. Розрахунок НДС статистично-еквівалентних мікроструктур проводився у рамках методу скінченних елементів. Наукова новизна дисертаційної роботи полягає у наступному: – запропоновано новий розрахунковий підхід для оцінки ймовірнісних параметрів граничного стану двокомпонентного матеріалу з кулястими включеннями. Цей підхід оснований на методі Монте-Карло, та, на відміну від існуючих, спирається на аналіз статистично-еквівалентних мікроструктур. Він дозволяє прогнозувати залишковий ресурс елементів конструкцій, визначати його ймовірнісні характеристики; – розроблено алгоритми (основані на методах комп’ютерної обробки зображень) для автоматизованого визначення ймовірнісних характеристик розміру, просторового розподілу та концентрації сферичних включень двокомпонентного матеріалу; – вперше, за допомогою створених алгоритмів, встановлено функції густини розподілу радіусів включень в залежності від їх концентрації для чавуну марок ВЧ35-ВЧ100 (мікроструктури типу ШГ2-ШГ12). Це дозволило розробити алгоритм синтезу статистично-еквівалентних структур; – вперше встановлено закономірності впливу концентрації включень на функції густини розподілу (та їх параметри) компонентів тензору жорсткості (зокрема коефіцієнтів взаємного впливу першого та другого порядку) для чавуну марок ВЧ35-ВЧ100 (мікроструктури типу ШГ2-ШГ12); – вперше встановлено концентраційні залежності математичного очікування, дисперсії та довірчі інтервали границь плину при стисканні та розтяганні для чавуну марок ВЧ35-ВЧ100 (мікроструктури типу ШГ2-ШГ12). У Вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано її мету і задачі, визначено об’єкт, предмет і методи дослідження, наукову новизну та практичну значущість роботи. Перший розділ роботи присвячений аналізу сучасних підходів до визначення впливу мікроструктури матеріалу на його механічні властивості, та містить огляд наукових публікацій за напрямом роботи. Розглянуто прямі (експериментальні) та розрахункові методи оцінки взаємозв’язку мікроструктури матеріалу та характеристик міцності. Проаналізовано використання методів машинного навчання та комп’ютерного зору при роботі із металографічними зображеннями, для задач класифікації, передбачення та статистичної оцінки впливу внутрішньої структури на властивості матеріалу. Надано стислий опис і сучасний стан критеріїв міцності механіки суцільного середовища, та методів керованих даними у задачах механіки твердого тіла. Визначено, що найпоширенішим чисельним методом, який використовується для дослідження напружено-деформованого стану моделей, є метод скінченних елементів (МСЕ). Проведений аналіз наукових напрямів та підходів пов’язаних із задачею ідентифікації параметрів міцності матеріалів на основі їх мікроструктури у тому числі визначення граничного стану, як поверхні плинності — сприяв формулюванню задач дослідження, та опису шляхів побудови методу розрахунку. У другому розділі описані теоретичні основи розв’язання задачі ідентифікації параметрів міцності з використанням даних, отриманих із зображень мікроструктури матеріалу. Включає розгляд технологій, що використовуються при обробці зображень. Описано підходи і методи попередньої обробки вхідного зображення, сегментації, нормалізації та фільтрації із подальшим розпізнаванням об’єктів. Сформульована загальна математична постановка для аналізу пружних властивостей матеріалу на основі плоскої задачі теорії пружності. Як одним з універсальних методів визначення напружено деформованого стану моделі – розглядається метод скінченних елементів (МСЕ). Це чисельний варіаційно-різницевий метод аналізу технічних конструкцій, прийнятий як стандартний метод дослідження завдяки універсальності та можливості роботи на обчислювальних системах. Увагу приділено формуванню скінченно-елементного підходу до розв’язання задачі класичної теорії пружності. Механічні властивості матеріалу визначаються через коефіцієнти тензора жорсткості. Оцінка міцності реалізована побудовою поверхні плинності матеріалу. Для визначення граничного стану матеріалу розглянуті існуючі гіпотези міцності композиційних матеріалів, та проведено модифікацію критеріїв для врахування різного супротиву матеріалу при розтягуючих та стискаючих напруженнях. У Третьому розділі описаний процес штучної генерації статистично-еквівалентної мікроструктури, що за основу бере металографічні знімки високоміцного чавуну з кулястими включеннями. Описано алгоритм отримання функції розподілу включень на площині та процес побудови штучної мікроструктури на основі математичного очікування та дисперсії радіусів включень в залежності від їх концентрації. На основі отриманих моделей, для розрахунку складного напруженого стану при одночасній дії розтягуючих і зсувних навантажень, використовується серія віртуальних експериментів. Пружні константи матеріалу визначаються з використанням МСЕ із серії тестів на одновісний розтяг уздовж Х координати, Y координати, одночасний розтяг уздовж X та Y координатних осей, та зсув у площині XY. Отримано ймовірнісні характеристики модуля пружності, коефіцієнту Пуассона та модуля зсуву. Проведена перевірка отриманих результатів дослідження на достовірність, та надано результати з верифікації методу розрахунку. За допомогою тесту Шапіро-Вілки, перевірено гіпотези щодо нормального розподілу параметрів включень на площині. Четвертий розділ спрямований на визначення параметрів плинності матеріалу. На основі скінченно-елементних моделей проведені дослідження матеріалу при складному напруженому стані на плоских моделях. Визначені поверхні плинності для серії випробувань. Використано метод аналізу переходу матеріалу з пружного в пластичний стан застосовуючи ймовірнісні характеристики поверхонь плинності. Визначені статистичні параметри границі плину, як: математичне очікування, дисперсія та коефіцієнт варіації випадкової величини. Аналіз отриманих даних показує вплив концентрації включень на характеристики міцності матеріалу. У п’ятому розділі здійснено оцінку параметрів надійності та залишкового ресурсу насосу відцентрового типу, при нормальних умовах експлуатації та при гідровипробуваннях. Враховано зменшення товщини стінок корпусних деталей від ерозійно-корозійного зносу. На основі розробленої математичної моделі, проводиться оцінка поверхні плинності матеріалу корпусних деталей насосу з використанням даних його властивостей, отриманих у попередньому розділі. Аналіз конструкції проведено на макро- та мікрорівні. Виникнення пластичних деформацій на мікрорівні може призвести до розвитку тріщини та структурних руйнувань на макрорівні. У результаті дослідження визначена ймовірність виникнення пластичної деформації у контрольних точках, та встановлені зони, що вимагають ретельного контролю протягом усього терміну експлуатації обладнання. У Висновках зазначено науково-практичні задачі, що були розв’язані в роботі, викладені найбільш важливі наукові та практичні результати, надані відомості щодо впровадження результатів дослідження.
Методи та засоби апаратної реалізації та вибору алгоритмів заміщення даних у кеш-пам'яті мікропроцесорів
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Пуйденко, Вадим Олексійович
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук (доктора філософії) за спеціальністю 05.13.05 – Комп'ютерні системи та компоненти (12 – Інформаційні технології). – Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут", Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Міністерство освіти і науки України, Харків, 2021. Дисертаційна робота присвячена розв'язанню важливої науково-технічної задачі, яка полягає в розробленні методів та засобів апаратних реалізацій та вибору алгоритмів заміщення даних у кеш-пам'яті процесорів. Метою роботи є підвищення швидкодії та надійності засобів апаратної реалізації алгоритмів заміщення процесорів шляхом розроблення і впровадження раціональних логічних структур для керування заміщенням даних з адаптацією і самоконтролем. Об'єктом дослідження є процеси створення і оцінювання апаратної реалізації та вибору алгоритмів заміщення даних у кеш-пам'яті процесорів. Предметом дослідження є моделі, методи і засоби апаратної реалізації та вибору алгоритмів заміщення даних у кеш-пам'яті процесорів. У першому розділі дисертаційної роботи проведений аналіз відомих алгоритмів заміщення та аналіз літературних джерел. Детальний аналіз показує, що дослідження алгоритмів заміщення проводяться переважно на таких двох показниках кешу, як затримка та частота влучань. Кожна стратегія заміни являє собою компроміс між частотою влучань і затримкою. Вимірювання частоти влучань зазвичай виконуються в тестових програмах. Фактичний коефіцієнт влучання сильно варіюється від одного додатка до іншого. До того ж, у роботах провідних авторів не приділена увага дослідженню таких важливих показників, як складність та надійність апаратних рішень алгоритмів заміщення. У першому розділі також проведений аналіз відомих комп’ютерних середовищ моделювання, що дало змогу обґрунтувати вибір комп'ютерного середовища моделювання засобів апаратної реалізації заміщення даних. Обґрунтування вибору комп'ютерного середовища моделювання здійснювалося з урахуванням наступних важливих критеріїв: - можливість моделювання цифрових логічних схем апаратних рішень алгоритмів заміщення з використанням сучасної електронної елементної бази; - можливість створення гнучких тестових програм керування синтезованими апаратними рішеннями алгоритмів заміщення з боку мікроконтролерів; - можливість створення програмно-керованих затримок при управлінні апаратними рішеннями алгоритмів заміщення з боку мікроконтролерів; - можливість створення програмних нештатних ситуацій при управлінні апаратними рішеннями засобів контролю апаратури алгоритмів заміщення з метою визначення їх працездатності. Також перший розділ містить формулювання загальної і часткових задач досліджень з подальшим обґрунтування методики, математичного апарату та етапів досліджень. У другому розділі розв’язано задачу підвищення швидкодії та зменшення складності реалізації алгоритмів заміщення PLRU та MFU кеш-пам’яті процесорів. Відомо, що для роботи алгоритму PLRU потрібно всього декілька бітів на множину елементів даних кешу. Це має надати певні переваги перед певними апаратними рішеннями таких алгоритмів заміщення, як LFU(LRU) та MFU. У дисертаційній роботі для асоціативного кеш-буфера сторінкового перетворення з напрямками q=4 та асоціативної кеш-пам'яті з напрямками q=8 вперше запропонована модель синхронного цифрового автомату політики заміщення даних за алгоритмом PLRU, яка описана відповідною складною перемикальною функцією. Синтез автоматної моделі дозволив отримати мінімальні логічні рівняння апаратного рішення алгоритму заміщення PLRU. Отримане апаратне рішення алгоритму заміщення PLRU дало змогу провести дослідження таких характеристик, як швидкодія, складність та надійність. У дисертаційній роботі вдосконалено апаратне рішення алгоритму заміщення PLRU за рахунок мінімізації логічної схеми PLRU шляхом міжтипового переходу у тригерних структурах. Мінімізація логічної схеми PLRU представлена двома варіантами: варіантом мінімізації на базі оновлення бітів стану за алгоритмом PLRU та варіантом на базі послідовності зміни q – індексу напрямку. Вдосконалення апаратного рішення алгоритму заміщення PLRU за обома варіантами дозволили покращити і відповідні характеристики: швидкодію, складність та надійність апаратури. У дисертаційній роботі синтезована автоматна модель алгоритму заміщення MFU. Синтез автоматної моделі алгоритму дозволив отримати мінімальні логічні рівняння апаратного рішення алгоритму, що дало змогу побудувати відповідне апаратне рішення, дослідити характеристики апаратури та порівняти з дослідженими характеристиками апаратури алгоритму PLRU. У третьому розділі приводиться розроблення та дослідження методу та апаратної реалізації адаптивного алгоритму заміщення. Попередньо був проведений аналіз сумісності алгоритмів заміщення з використанням матриць сумісності. Проведений аналіз дозволив висвітлити визначення сумісних алгоритмів заміщення. Включена до матриці множина алгоритмів дозволила виділити не тільки пари сумісних, але й їх тріади. У розділі також розв’язана задача апаратної реалізації заміщення даних для адаптивного алгоритму LFU–MFU, внаслідок чого вперше запропоновано метод і засоби реалізації адаптивних алгоритмів заміщення даних у кеш-пам'яті процесора, які на відміну від відомих базуються на побудові та аналізі матриць сумісності алгоритмів і надають змогу обирати алгоритм заміщення залежно від результатів динамічного прогнозу галужень програми, що забезпечує підвищення швидкодії процесору. У четвертому розділі удосконалено засоби контролю реалізації алгоритмів заміщення даних у кеш-пам'яті процесора за рахунок використання уніфікованої автоматної моделі, яка враховує кількість напрямків вибору даних при заміщенні, а також оцінок складності базових компонентів засобів контролю, що дозволяє оцінювати приріст достовірності функціонування на одиницю апаратних витрат. Удосконалено метод вибору алгоритмів і засобів реалізації для заміщення даних у кеш-пам’яті процесора шляхом включення до множини алгоритмів алгоритми з контролем і адаптацією, їх упорядкування за показниками складності, швидкодії і достовірності, що дозволяє покращити відповідні показники процесора. Систематизовано і проаналізовано результати впровадження наукових результатів. Ключові слова: асоціативна кеш-пам'ять, асоціативний кеш-буфер TLB, алгоритм заміщення даних PLRU, LRU, LFU, MFU, матриця сумісності, сумісні алгоритм заміщення даних, позитивно сумісні алгоритми заміщення даних, адаптивний алгоритм заміщення даних, синхронний цифровий автомат, швидкодія, складність, надійність, приріст достовірності, коефіцієнт ефективності функціонування, критерій вибору.
Методи та засоби апаратної реалізації та вибору алгоритмів заміщення даних у кеш-пам'яті мікропроцесорів
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Пуйденко, Вадим Олексійович
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 – Комп'ютерні системи та компоненти (12 – Інформаційні технології). – Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут", Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Міністерство освіти і науки України, Харків, 2021. Дисертаційна робота присвячена розробці методів та засобів апаратної реалізації та вибору алгоритмів заміщення даних у кеш-пам’яті мікропроцесорів. Науковими результатами є: 1) отримало подальшого розвитку автоматна модель і засоби реалізації алгоритму PLRU заміщення даних у кеш-пам’яті процесора шляхом зміни типів та спрощення комбінаційної логіки керування оновленням елементів пам’яті, що забезпечує підвищення швидкодії та зменшення складності цих засобів; 2) вперше запропоновано метод і засоби реалізації адаптивних алгоритмів заміщення даних у кеш-пам’яті процесора, які на відміну від відомих базуються на побудові та аналізі матриць сумісності алгоритмів і надають змогу обирати алгоритм заміщення залежно від результатів динамічного прогнозу галужень програми, що забезпечує підвищення швидкодії процесору; 3) удосконалено засоби контролю реалізації алгоритмів заміщення даних у кеш-пам’яті процесора за рахунок використання уніфікованої автоматної моделі, яка ураховує кількість напрямків вибору даних при заміщенні, а також оцінок складності базових компонентів засобів контролю, що дозволяє оцінювати приріст достовірності функціонування на одиницю апаратних витрат; 4) удосконалено метод вибору алгоритмів і засобів реалізації для заміщення даних у кеш-пам’яті процесора шляхом включення до множини алгоритмів з контролем і адаптацією, їх упорядкування за показниками швидкодії складності та надійності, що дозволяє покращити відповідні показники процесора. Запропоновані методи та засоби дозволяють підвищити швидкодію та надійність, а також зменшити складність апаратних витрат модулів заміщення даних асоціативної кеш-пам’яті та асоціативного кеш-буферу сторінкового перетворення, що тягне за собою збільшення швидкодії, енергоефективності та безвідмовності процесора у цілому.
Методологічні основи та інформаційні технології забезпечення гарантоздатності інформаційно-керуючих систем з багатоцільовим обслуговуванням
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Поночовний, Юрій Леонідович
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.13.06 – інформаційні технології (12 – Інформаційні технології). – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України, Харків, 2021 р. Об’єкт дослідження – гарантоздатні інформаційно-керуючі системи, процеси забезпечення гарантоздатності інформаційно-керуючих систем, що функціонують в умовах змін вимог, параметрів фізичного та інформаційного середовища, прояву неспецифікованих дефектів й атак на вразливості. Предмет дослідження – методологічні основи, інформаційна технологія оцінювання та забезпечення гарантоздатності інформаційно-керуючих систем при багатоцільовому обслуговуванні. Докторська дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, що містить розв’язання важливої науково-прикладної проблеми розроблення методологічних основ та інформаційних технологій забезпечення гарантоздатності та підвищення точності її оцінювання для обслуговуваних або частково обслуговуваних інформаційно-керуючих систем в умовах їх еволюції внаслідок зміни вимог і параметрів фізичного та інформаційного середовища, виникнення неспецифікованих відмов через програмно-апаратні дефекти й атаки на вразливості. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету та задачі дослідження, викладено наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів, особистий внесок здобувача в розробку теми дисертаційної роботи. Наведено дані щодо впровадження результатів дисертаційних досліджень, їх апробацію та публікації. Перший розділ містить аналіз концептуальних підходів до визначення поняття гарантоздатності та змісту її складових підвластивостей. Визначено, що і тлумачення терміну, і набір первинних властивостей залежать від області застосування інформаційно-керуючих систем, режимів їх експлуатації та видів обслуговування. Запропоновано визначити гарантоздатність як здатність системи виконувати задані функції (надавати потрібні послуги), зберігаючи у часі рівень її визначених показників в заданих межах і умовах експлуатації, а також при зміні вимог, параметрів середовища та виникнення неспецифікованих відмов. Проаналізовано основні концепції забезпечення гарантоздатності інформаційно-керуючих систем різних галузей застосування (космічних апаратів, вебсервісів, розумних будинків, систем аварійного захисту АЕС). Визначено компоненти архітектури інформаційно-керуючих систем, режими роботи, види відмов (у тому числі і неспецифікованих, зумовлених атаками на вразливості) та процедури багатоцільового обслуговування, які направлені на завчасну (попереджувальну) протидію причинам відмов та усунення їх наслідків. Другий розділ присвячений розробленню методологічних основ забезпечення гарантоздатності інформаційно-керуючих систем з багатоцільовим обслуговуванням. Запропоновано концепцію забезпечення гарантоздатності обслуговуваних інформаційно-керуючих систем, яка базується на розвитку парадигми Дж. Фон-Неймана – побудови гарантоздатних систем з недостатньо надійних і безпечних компонентів в умовах їх еволюції при багатоцільовому обслуговуванні, і принципи: врахування зміни вимог, процесів оновлення та параметрів фізичного та інформаційного середовища протягом життєвого циклу; адаптації до різних видів відмов, включаючи комбіновані відмови внаслідок фізичних і проєктних дефектів, дефектів старіння, атак на вразливості програмно-апаратних засобів, а також внаслідок впливу змін; багатоцільового обслуговування з метою комплексного забезпечення надійності і безпечності; що надало змогу обґрунтувати структуру і взаємозв’язки моделей та методів оцінювання і вибору стратегій та параметрів їх обслуговування, а також методів підвищення показників гарантоздатності систем в цілому. Розроблено стратегії багатоцільового обслуговування інформаційно- керуючих систем, які, на відміну від відомих, базуються на теоретико-множинному описі варіантів обслуговування з урахуванням типів, процесів, властивостей та параметрів для розрахунку показників гарантоздатності і визначають взаємозв’язки між ними, що дозволяє зменшити модельну невизначеність та обґрунтувати вибір засобів для забезпечення гарантоздатності на різних етапах життєвого циклу. У третьому розділі шляхом розширення простору станів концептуальної моделі гарантоздатних інформаційно-керуючих систем проаналізовані варіанти сценаріїв проведення процедур багатоцільового обслуговування. Одержано системну модель процедур багатоцільового обслуговування, яка, на відміну від відомих, описує множину станів і взаємозв’язки між процесами тестування, онлайн-верифікації та оновлення в рамках базових фрагментів та зв’язки між ними, формує множину багатофрагментних моделей інформаційно-керуючих систем з оновлюваним програмним забезпеченням, яке змінює функції системи відповідно до нових вимог, що дозволяє уніфікувати графічне представлення процедур обслуговування та підвищити гарантоздатність систем на етапі функціонування та супроводу. Удосконалено метод визначення параметрів гарантоздатних інформаційно-керуючих систем, який базується на статистичній обробці даних про зміни, події та відмови і містить процедури об’єднання даних різних репозиторіїв та пошуку оптимального закону розподілу, що підвищує комплексність та точність оцінювання показників гарантоздатності. Четвертий розділ присвячений моделюванню інформаційно-керуючих систем з процедурами патчеризації, онлайн-верифікації та профілактичного тестування. Для моделювання процесів встановлення патчів розроблено багатофрагментні моделі корпоративного вебсервісу та системи автоматизації будинку. Побудовано та досліджено типові багатофрагментні моделі оцінювання гарантоздатності, які описують проведення процедур онлайн-верифікації для інформаційно-керуючих систем космічних апаратів. Як приклад інформаційно-керуючої системи, в якій профілактичне тестування направлене на виявлення та усунення прихованих відмов, розглянуто систему аварійного захисту реактора. Удосконалено багатофрагментні моделі оцінювання готовності інформаційно-керуючих систем за умов виникнення неспецифікованих відмов, атак на вразливості та зміни параметрів середовища шляхом врахування процедур патчеризації, онлайн-верифікації та профілактичного тестування, а також уніфікації формування множин однотипних станів і переходів між ними, що дозволяє описати поведінку систем у вигляді регулярних марковських графів та підвищити точність оцінювання показників готовності й гарантоздатності. У п’ятому розділі розроблено моделі гарантоздатних інформаційно- керуючих систем, у яких відсутні обмеження на використання детермінованих подій, а також потоків подій з довільними законами розподілу, що описують зміни вимог, параметрів середовища чи прояв неспецифікованих відмов. Вперше розроблено мультифазну модель оцінювання гарантоздатності інформаційно-керуючої системи, яка, на відміну від відомих, враховує різні стратегії обслуговування з детермінованими періодами і випадковою тривалістю обслуговування, відновлення при відмовах і атаках на систему та її програмно-апаратні компоненти, що дозволяє усереднити показники неготовності та функційної безпечності з заданою похибкою відносно рівня специфікованих вимог. Удосконалено імітаційні моделі оцінювання гарантоздатності інформаційно-керуючих систем шляхом комплексування з аналітичними моделями і використання запропонованих процедур статистичного оцінювання розподілу результуючих показників для визначення кількості розіграшів, що дозволяє зменшити відхилення (підвищити збіжність) показників гарантоздатності та перевірити адекватність аналітичних моделей. У шостому розділі представлено удосконалений метод вибору параметрів процедур обслуговування для забезпечення гарантоздатності інформаційно-керуючих систем, який на відміну від відомих, враховує різні варіанти проведення процедур багатоцільового обслуговування з усуненням дефектів і вразливостей та дозволяє визначити раціональні моменти проведення роздільного або змішаного обслуговування задля підвищення надійності та безпечності і забезпечити необхідний рівень гарантоздатності. Розроблено інформаційні технології оцінювання показників гарантоздатності критичних інформаційно-керуючих систем при багатоцільовому обслуговуванні та вибору параметрів стратегії багатоцільового обслуговування. Описано інструментальні засоби процесів підтримки інформаційних технологій, розроблені у ході дисертаційних досліджень. Виконано узагальнений аналіз результатів практичного впровадження розроблених методології, моделей і методів, а також отриманих на їх основі інформаційних технологій та інструментальних засобів. Отримані результати апробовано та впроваджено в організаціях, які займаються проєктуванням та супроводом гарантоздатних інформаційно-керуючих систем, зокрема, ТОВ "Науково-виробниче підприємство "Радікс"" ТОВ "Поларіс-2006", НВП "Радій" і НТ СКБ "Полісвіт" Державного НВП "Об'єднання Комунар"; а також у навчальний процес Національного аерокосмічного університету ім. М. Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут" та інших закладів вищої освіти України.
Методологічні основи та інформаційні технології забезпечення гарантоздатності інформаційно-керуючих систем з багатоцільовим обслуговуванням
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Поночовний, Юрій Леонідович
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.13.06 – інформаційні технології. – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України, Харків, 2021 р. Дисертацію присвячено розв’язанню протиріччя між вимогами до забезпечення гарантоздатності, точності її оцінювання для обслуговуваних або частково обслуговуваних інформаційно-керуючих систем (ІКС) в умовах їх еволюції внаслідок зміни цілей і параметрів фізичного та інформаційного середовища, виникнення неспецифікованих відмов через програмно-апаратні дефекти і атаки на вразливості, з одного боку, і недосконалістю існуючого науково-методологічного інструментарію, відсутністю моделей, методів і засобів інформаційних технологій, які дозволили розробити і вибрати відповідні стратегії обслуговування та їх параметри за показниками готовності, безвідмовності, безпечності та гарантоздатності в цілому. Основними результатами дослідження є: методологічні основи, концепція та принципи забезпечення гарантоздатності обслуговуваних ІКС; моделі стратегій багатоцільового обслуговування ІКС; метод визначення параметрів гарантоздатних ІКС; системну модель процедур багатоцільового обслуговування, яка описує множину станів і взаємозв’язки між процесами тестування, онлайн-верифікації та оновлення в рамках базових фрагментів та зв’язки між ними, формує множину багатофрагментних моделей ІКС з оновлюваним програмним забезпеченням; багатофрагментні моделі оцінювання готовності ІКС за умов виникнення неспецифікованих відмов, атак на вразливості та зміни параметрів середовища шляхом врахування процедур патчеризації, онлайн-верифікації та профілактичного тестування; мультифазну модель оцінювання гарантоздатності ІКС, яка враховує різні стратегії обслуговування з детермінованими періодами і випадковою тривалістю обслуговування; імітаційні моделі оцінювання гарантоздатності ІКС з використанням запропонованих процедур статистичного оцінювання розподілу результуючих показників; метод вибору параметрів процедур обслуговування для забезпечення гарантоздатності ІКС, що враховує різні варіанти проведення процедур багатоцільового обслуговування з усуненням дефектів і вразливостей. Використання результатів досліджень підтверджується актами впровадження розроблених методів в навчальний процес закладів вищої освіти України й на підприємствах. Отримані результати забезпечили підвищення точності оцінювання гарантоздатності, дозволили покращити значення її показників при виборі процедур багатоцільового обслуговування і забезпечити надійність, готовність, доступність та функційну безпечність критичних ІКС.
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.
Прогнозування строку служби силового трансформатора за допомогою комплексної моделі технічного стану целюлозної ізоляції
(Запорізький національний технічний університет, 2019) Василевський, Володимир Валентинович
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.01 – електричні машини й апарати. – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2019 р. Дисертацію присвячено удосконаленню математичних моделей для прогнозуванню залишкового ресурсу силового трансформатора та техніко-економічного обґрунтування стратегії його технічного обслуговування шляхом розробки комплексної моделі технічного стану целюлозної ізоляції. Запропоновано комплексну модель технічного стану целюлозної ізоляції, яка складається з математичної моделі формування реального ресурсу трансформатора на етапі його виробництва та моделі витрати ресурсу целюлозної ізоляції силового трансформатора на етапі експлуатації. Розроблено математичну модель вологообміну в системі целюлозна ізоляція – трансформаторне масло у взаємозв'язку з іншими математичними моделями, які описують стан трансформатора в експлуатації. Проведено аналіз впливу проведення технічного обслуговування силового трансформатора (зокрема, сушіння активної частини) на ресурсні характеристики целюлозної ізоляції. Виконано моделювання витрати ресурсу трансформатора для різних стратегій технічного обслуговування. За допомогою аналізу результатів моделювання обґрунтовано необхідність урахування проведення технічного обслуговування при розрахунках залишкового ресурсу і моделюванні витрати ресурсу ізоляції в експлуатації. Отримав пода-льший розвиток розрахунковий метод визначення скорочення строку служби ізоляції за рахунок корегування відомої формули інтегралу старіння шляхом більш точної інтерполяції вихідних даних, що використовуються для побудови залежності швидкості старіння від вмісту вологи в ізоляції. Вперше запропоновано математичні моделі для оцінки впливу етапу виробництва на призначений ресурс, які відрізняються урахуванням недосконалості засобів контролю і стохастичності процесу зміни ресурсу в ході технологічного процесу.