Вісник Національного технічного університету «ХПІ». Серія: Динамiка та мiцнiсть машин

ПОВЗУЧІСТЬ ТА ПОШКОДЖУВАНІСТЬ ОБОЛОНКИ ТВЕЛУ ПРИ СТАТИЧНОМУ ТА ЦИКЛІЧНОМУ НАВАНТАЖЕННІ

2025-12-17T13:06:10+02:00

В статті представлено підхід до розв’язання задачі повзучості оболонки твелу ядерного реактору за умов його контактної взаємодії з фіксуючим елементом за допомогою спеціально розробленої користувацької процедури для програмного комплексу скінченноелементного аналізу. Розглядаються випадки незмінного у часі та циклічного навантаження, яке обумовлено дією потоку, що омиває твел. Задачу розв’язано на основі повної тривимірної постановки, розглянуто матеріали з ізотропією властивостей повзучості та накопичення пошкоджень. У випадку аналізу циклічного деформування з накопиченням прихованих пошкоджень враховуються амплітудні контактні напруження та напруження, що виникають при вимушених коливаннях твелу. Для врахування процесів накопичення прихованих пошкоджень внаслідок повзучості використано спеціально розроблену процедуру для додавання до розрахункової схеми функції інтегрування у часі еволюційного рівняння для скалярного параметру пошкоджуваності. В даній процедурі у випадку врахування циклічного навантаження також виконується перехід до еквівалентної задачі повзучості, отриманої шляхом використання методу двох масштабів часу та осереднення на періоді, визначаються функції асиметрії циклу напружень для кожної точки інтегрування скінченноелементної моделі. Отримано результати чисельного моделювання повзучості оболонки твелу при її контакті з елементом фіксації для випадку статичної та динамічної повзучості. Матеріал оболонки – цирконієвий сплав. У випадку врахування циклічного навантаження продемонстровано суттєве прискорення процесів повзучості й накопичення прихованих пошкоджень та зменшення часу до виникнення макроскопічного дефекту. Визначено місце його виникнення, яке відповідає внутрішній поверхні оболонки твелу навпроти розташування елементу фіксації.

ВДОСКОНАЛЕННЯ АЛГОРИТМІВ УПРАВЛІННЯ ГІБРИДНИМ БПЛА

2026-02-06T14:44:17+02:00

Стаття присвячена розробці робастних алгоритмів управління гібридними безпілотними літальними апаратами гелікоптерного типу, для яких рушіями є п’ять електричних двигунів та двигун внутрішнього згоряння. Проаналізовано сучасний стан методів управління БПЛА з акцентом на особливості гібридної конструкції, яка потребує адаптації до внутрішніх та зовнішніх невизначеностей. До таких невизначеностей належать збурення вітром, зміна маси апарату внаслідок витрат палива та недоступність визначення в реальних умовах деяких параметрів. В основу вдосконалення покладено базові алгоритми, розроблені та обґрунтовані авторами раніше. Такі алгоритми потребують специфічної інформації, яка унеможливлює їх практичне використання. Запропоновано вдосконалення базових алгоритмів управління за рахунок надання робастних властивостей відносно невідомих параметрів та технології чисельної обробки даних. Всі алгоритми поділяються на три автопілоти: висотою, курсом та кутами тангажу та крену. Вони працюють у кожному такті управління, незалежно від режиму руху, що виконується. Цим забезпечується компенсація перехресних зв’язків між каналами управління. Вдосконалені алгоритми вичерпно описано у вигляді блок‒схем, що робить їх придатними до практичної реалізації на борту БПЛА. Підтвердження працездатності та визначення ефективності вдосконалених алгоритмів здійснено шляхом моделювання. Критерієм якості виступила розбіжність показників функціонування між базовими та вдосконаленими алгоритмами. Моделювання польоту гібридного БПЛА вздовж замкненої траєкторії продемонструвало працездатність вдосконалених алгоритмів при деякому зниженні швидкодії у порівнянні з базовими. Враховуючи практичну спрямованість розроблених алгоритмів такий результат є позитивним.

МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСІВ ПОВЗУЧОСТІ ТА КОРОЗІЙНОГО РОЗТРІСКУВАННЯ ТРУБ

2026-01-28T22:15:07+02:00

Статтю присвячено опису методу спільного аналізу деформування та руйнування конструктивних елементів, що знаходяться в умовах високотемпературної повзучості, пов’язаного з нею накопичення прихованих пошкоджень, та в яких деякі поверхні піддано впливу агресивних середовищ. Крайова задача розв’язується з використанням методу скінченних елементів, для початкової задачі використано різницевий метод інтегрування за часом. Для аналізу корозійного розтріскування внутрішньої поверхні труби використано підхід, що полягає у виключенні з розрахункової моделі «зруйнованих» скінченних елементів, тобто тих, в яких параметр пошкоджуваності сягнув свого критичного значення, та переформулювання крайової задачі для моделі з новою геометрією та збереженими початковими умовами для компонентів напружено-деформованого стану та параметру пошкоджуваності у решті скінченних елементів. Для моделювання накопичення прихованої пошкоджуваності внаслідок повзучості та корозії використано підхід з врахуванням внесків приростів відповідних процесів на кожному кроці за часом. Пошкоджуваність внаслідок корозії моделюється автомодельним еволюційним рівнянням з врахуванням спеціально визначеного еквівалентного напруження на поверхні тіла. Як приклад використання методу чисельного моделювання розглянуто процес повзучості з прихованим руйнуванням матеріалу та подальше корозійне розтріскування у товстій трубі. Проаналізовано процес зростання пошкоджень у її матеріалі, оцінено співвідношення між швидкістю накопичення пошкоджень внаслідок повзучості та корозійного розтріскування на поверхні. Розроблений підхід та скінченноелементний метод розрахунку пропонується надалі застосувати для аналізу деформування та корозійного розтріскування елементів конструкцій складної геометрії, які використовуються у енергетичній та атомній промисловості.

КОМП’ЮТЕРНА ГОМОГЕНІЗАЦІЯ ТЕПЛОПРОВІДНОСТІ БОР- АЛЮМІНІЄВИХ КОМПОЗИТІВ

2025-12-21T12:36:01+02:00

У статті представлено результати чисельного визначення компонентів тенора теплопровідності трьох типів композитів на основі алюмінієвої матриці, яка зміцнена регулярними системами борних волокон. Характеристики теплопровідності еквівалентного гомогенного матеріалу визначаються на основі відомих властивостей матриці і волокон. Процедура гомогенізації заснована на чисельному розв’язанні крайових задач стаціонарної теплопровідності для мінімальних представницьких елементів композиту. Для моделювання теплових потоків методом скінченних елементів сформовані спеціальні системи крайових умов. Ці умови забезпечують повну відповідність розподілу температури в межах представницьких елементів тому стану, що виникає при однорідних потоках в еквівалентному гомогенному матеріалі. Чисельні результати отримані в широкому діапазоні об’ємного вмісту бору для односпрямованих та двонаправлено армованих композитів. Встановлено, що зі зростанням вмісту бору теплопровідність по всім напрямкам знижується, а ступінь її анізотропії значно збільшується.

ідентифікація відмови сенсора і визначення орієнтації в мінімально надлишкових конфігураціях датчиків кутової швидкості в бінс

2026-01-21T13:47:26+02:00

Стаття присвячена проблемі підвищення відмовостійкості блоку інерціальних датчиків в безплатформених системах орієнтування. Розв’язання проблеми засновано на використанні надлишкової кількості датчиків з незалежними напрямками осей чутливості. Розглянуто три мінімально надлишкові конфігурації розташування осей чутливості сенсорів: «3 ортогональні +1», «конус-4» та «конус-3 з віссю». Наведені геометричні схеми і представлені необхідні співвідношення між ортами осей чутливості датчиків і ортами зв’язаної (приладової) системи координат для формування матриці вимірювань. В умовах, коли всі датчики функціонують в штатному режимі, отримані формули перерахунку кутових квазікоординат повного складу сенсорів до зв’язаної системи координат. У випадку, коли ідентифіковано несправність сенсора, наведені формули приведення значень кутових квазікоординат з тріад сенсорів до зв’язаних осей з метою подальшого використання в алгоритмі орієнтації. В якості еталонного вектора для ідентифікації відмови датчика і виключення його інформації з матриці вимірювань запропоновано використовувати фіктивний вектор позірного повороту, сформований з кутових квазікоординат датчиків. Для цього проводиться експоненціальна апроксимація модуля вектору позірного повороту на обмеженому інтервалі знімання інерціальної інформації з датчиків і формується дискретна модель модуля вектору позірного повороту в залежності від значень цього модуля на попередніх чотирьох тактах знімання інерціальної інформації. Подальше використання отриманої дискретної моделі в якості екстраполяційної дозволяє отримати оцінку модуля вектору позірного повороту для поточного такту. В результаті порівняння значень величин модуля вектору позірного повороту, обчислених для тріад сенсорів з результатом екстраполяції можна визначити несправний датчик. Чисельна реалізація запропонованого підходу до виявлення несправності в системі датчиків і ідентифікації несправного датчика на формальній кінематичній моделі конічного кутового руху твердого тіла в умовах квантування кутових квазікоординат показала працездатність запропонованого підходу.

ІНФОРМАЦІЙНА СИСТЕМА ДЛЯ ВИЗНАЧЕННЯ НАПРУЖЕННО-ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ КОНСТРУКЦІЇ ІЗ ЕЛАСТОМЕРІВ НА ОСНОВІ НЙРОМЕРЕЖЕВОЇ МОДЕЛІ

2026-01-26T15:16:54+02:00

У роботі представлено інформаційну систему для визначення механічних характеристик еластомерних матеріалів на основі інтеграції штучних нейронних мереж із класичними методами чисельного аналізу. Запропоновано гібридний підхід, у межах якого нейромережевий модуль виконує апроксимацію експериментальної кривої навантаження-розвантаження, включно з ефектом Маллінса. Отриманий прогноз напружено-деформованої відповіді використовується у поєднанні з ітераційним алгоритмом Ньютона-Рафсона для обчислення дотичного модуля пружності за умови відсутності аналітичних похідних. Для забезпечення чисельної стійкості реалізовано механізм контролю ітераційного кроку, обмеження корекції деформації та систему локального відновлення значень у разі розбіжності, що унеможливлює поширення помилок на весь розрахунок.

Архітектуру застосунку побудована як кросплатформне настільне середовище на основі PySide6, що поєднує інструмент інтерактивного редагування структури скінченно-елементної моделі, динамічну валідацію даних та підтримку топологічної цілісності завдяки використанню патерну делегування. Передбачені серіалізація й десеріалізація у форматі CSV, включно з перевіркою коректності полів, автоматичним приведенням типів і відновленням порожніх комірок, що забезпечує відтворюваність результатів та обмін моделями між користувачами без втрати інформації.

Результат роботи представлені у вигляді графічної візуалізації деформованого стану конструкції та детального аналітичного звіту, який містить переміщення і реакції вузлів, внутрішні зусилля, деформаційні характеристики елементів і отримані ефективні значення модулів пружності. Запропонована система забезпечує високу стабільність і демонструє практичну придатність під час моделювання еластомерів із вираженою нелінійною поведінкою. Отримані результати підтверджують перспективність поєднання машинного навчання та класичних методів механіки для подальшого розвитку сучасних інструментів інженерного аналізу.

ФІЗИЧНО-КЕРОВАНА РЕГРЕСІЯ НА ОСНОВІ ГАУСІВСЬКИХ ПРОЦЕСІВ ДЛЯ МОДЕЛЮВАННЯ НАКОПИЧЕННЯ ВТОМНОГО ПОШКОДЖЕННЯ

2026-01-26T13:42:13+02:00

Здатність точно прогнозувати ймовірність відмови технічних систем є критично важливим завданням інженерії надійності, особливо для компонентів, що піддаються стохастичному циклічному навантаженню. Прогнозування параметрів вичерпання ресурсу суттєво ускладнюється нестаціонарною дисперсією (гетероскедастичністю) процесів втоми та значним дефіцитом даних на пізніх етапах експлуатації. Стандартні підходи, що керуються виключно даними, зокрема класична стаціонарна регресія гаусівських процесів (GPR), зазвичай виявляються неспроможними забезпечити надійну екстраполяцію за межі навчального діапазону. В зонах відсутності даних такі моделі схильні до повернення до нульового апріорного середнього, що грубо порушує фундаментальні фізичні закони накопичення пошкоджень, такі як незворотність процесу деградації та монотонне зростання ентропії. У цьому дослідженні запропоновано методологію фізично-керованої регресії на основі ланцюгових гаусівських процесів (Physics-Guided Chained Gaussian Process Regression, PG-CGPR). Гіпотеза дослідження полягає в тому, що інтеграція фізичних знань безпосередньо в імовірнісну архітектуру дозволить компенсувати брак емпіричних даних. Методологія базується на зв'язуванні кількох латентних процесів через спільну функцію правдоподібності: один процес моделює середній тренд накопичення пошкоджень, а інший — залежну від вхідних даних дисперсію. Шляхом поєднання жорсткого, заснованого на фізиці параметричного апріорного середнього з гнучкою непараметричною коваріаційною структурою (використовуючи нестаціонарні ядра), модель структурно забезпечує дотримання ключових обмежень: монотонності накопичення пошкоджень, нульової початкової невизначеності та коректного зростання дисперсії з часом. Для верифікації запропонованого підходу проведено серію чисельних експериментів на синтетичних наборах даних, що моделюють кінетику лінійного (модель Пальмгрена-Майнера) та нелінійного (модель Качанова-Работнова) накопичення пошкоджень в умовах обмеженої вибірки. Порівняльний аналіз із базовими моделями підтвердив, що PG-CGPR ефективно усуває проблему помилкового затухання тренду при екстраполяції. Якісно встановлено, що, на відміну від суто даних-орієнтованих підходів, які демонструють нефізичне звуження невизначеності, запропонований метод формує реалістичні довірчі інтервали. Вони коректно відображають фізичну природу розсіяного пошкодження, розширюючись у міру віддалення від навчальних даних, що є необхідною умовою для консервативної та надійної оцінки залишкового ресурсу.