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

МЕТОДИ МОДЕЛЮВАННЯ ДИНАМІЧНОЇ ПОВЕДІНКИ, ВИЗНАЧЕННЯ МІЦНОСТІ ТА ОЦІНКИ КОНСТРУКЦІЙНОЇ СТІЙКОСТІ КОМПОЗИЦІЙНИХ ЛОПАТОК РОТОРНИХ МАШИН

2024-11-22T10:32:10+02:00

Робота розглядає методи кріплення та аналізу композиційних лопаток роторних машин, а саме варіанти з’єднання металевих та композиційних частин, підходи до створення розрахункової моделі та моделювання статичної і динамічної механічної поведінки композиційних лопаток та способи визначення їхньої міцності за різними критеріями з урахуванням особливостей з’єднань. З цією метою проведений детальний огляд наявних в літературі застосувань композиційних лопаток в роторних машинах різного призначення, а також наведені варіанти поєднання композиційних та металевих частин для визначення найбільш оптимального підходу до створення міцної лопатки, що складається з таких частин. Спосіб побудови розрахункової моделі включає в себе особливості кріплення, проілюстровані на прикладі композиційної лопатки ротора, яка містить сталевий хвостовик та композиційний аеродинамічний профіль із шарами різної товщини та ребрами жорсткості, що з’єднують дві бокові поверхні профілю та проходять вздовж радіального напрямку ротора від кореневого до периферійного перерізів профілю лопатки для забезпечення його міцності та конструкційної стійкості. Аналіз міцності композиційної лопатки виконується на основі критеріїв, спеціально розроблених для композиційних матеріалів, зокрема критерію Хашина. Конструкційну стійкість композиційного профілю лопатки запропоновано аналізувати під дією аеродинамічного тиску потоку для визначення його критичного значення, при якому може статись втрата стійкості за визначеними формами. Динамічні характеристики профілю знаходяться у вигляді власних частот та власних форм коливань з урахуванням переднапруженого стану від відцентрових сил та аеродинамічного тиску потоку. Ідентифікацію властивостей композиційного матеріалу аеродинамічного профілю лопатки пропонується проводити за допомогою чисельних експериментів та натурних експериментальних досліджень, а адекватність моделювання його механічної поведінки та міцності може бути перевірена на основі розглянутого у роботі стенду.

МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСІВ НАКОПИЧЕННЯ ПОШКОДЖЕНЬ ПРИ ПЛОСКОМУ НАПРУЖЕНОМУ СТАНІ

2024-12-08T18:08:25+02:00

Запропоновано підхід до моделювання процесів накопичення пошкоджень при повзучості, коли напружений стан у конструктивному елементі характеризується наявністю областей з різним рівнем напружень. Внаслідок процесів старіння, оксидації та інших високотемпературних деградаційних процесів у зонах з малими рівнями напружень швидкість накопичення прихованих пошкоджень може збільшуватись, що не відображається у класичних формулюваннях механіки пошкоджуваності. Надано опис еволюційного рівняння для скалярного параметру пошкоджуваності, в якому параметри, що до нього входять, є функціями величин напружень, які при даному часі до припинення прихованого руйнування є руйнівними. Математичну постановку задачі та її скінченноелементне формулювання виконано для випадку плоского напруженого стану. Проведено чисельне моделювання процесів накопичення пошкоджень у пластинах з коловими надрізами, виготовлених з жароміцного сплаву CMSX-4. Порівнюються розподіли параметру пошкоджуваності за пластиною, отримані при використанні класичного рівняння для параметру пошкоджуваності Качанова-Работнова та запропонованого у даній роботі для широкого діапазону напружень. Показано, що врахування іншої, підвищеної швидкості накопичення пошкоджень в областях з малим рівнем напружень в аналізі довготривалої міцності призводить до істотного скорочення часу до завершення прихованого руйнування. Продемонстровано, що у випадку застосування модифікованого еволюційного рівняння зони з високим рівнем пошкоджуваності розповсюджується по всьому об’єму пластини, що може свідчити про подальше швидке руйнування. Запропонований підхід до модифікації еволюційного рівняння для параметру пошкоджуваності можливо використати у разі, коли є інформація щодо реального значення часу до руйнування в експлуатаційних умовах з подальшим виконанням циклу чисельних експериментів для отримання характеристик кривої довготривалої міцності, які будуть закладені у модифіковане еволюційне рівняння.

СКІНЧЕННОЕЛЕМЕНТНЕ ПРОГРАМНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ДЛЯ РОЗВ’ЯЗАННЯ ТРИВИМІРНИХ ЗАДАЧ З ВИКОРИСТАННЯМ ХМАРНИХ ТЕХНОЛОГІЙ

2024-12-09T18:46:19+02:00

Основні співвідношення методу скінченних елементів, представлені у статті у загальному тривимірному формулюванні. застосовано для побудови програмного засобу, призначеного для розрахункового аналізу напружено-деформованого стану з використанням хмарних ресурсів у випадку великих обсягів даних. Наведено математичну постановку задачі. Описано основні залежності, що застосовуються для побудови скінченноелементних співвідношень елементу у формі чотирьохвузлового тетраедру. Використано лінійні функції форми. Система лінійних алгебраїчних рівнянь розв’язується методом спряжених градієнтів. Обговорюється структура додаткових програм, призначених для пре- та постпроцесорної обробки даних. Наведено приклади роботи даних програм, що демонструють можливості аналізу скінченноелементних моделей, їхніх окремих фрагментів та розподілу компонентів напружено-деформованого стану за об’ємом елементу конструкції, що аналізується. Обговорюються результати верифікаційних досліджень, які показали задовільну достовірність даних, що отримуються при розв’язанні пружних задач. Описано запропонований для застосування хмарних ресурсів підхід з використанням технологій Terraform та Kubernetes, який дозволяє виконувати чисельне моделюванні за допомогою розробленого програмного засобу. Виконано порівняння характеристик обчислювальних процесів з використанням програми для окремого персонального комп’ютера та розрахунку у хмарі. Наголошується, що за даними виконаних порівнянь випливає, що використання інфраструктури Microsoft Azure у поєднанні з автоматизованими інструментами Terraform і Kubernetes суттєво прискорює виконання проаналізованих задач. Відмічається перевага запропонованого підходу у реалізації можливостей динамічного управління ресурсами системи відповідно до поточного обчислювального навантаження.

АНАЛІТИЧНЕ РІШЕННЯ ОБЕРНЕНОГО І ПРЯМОГО ЗАВДАННЯ КІНЕМАТИКИ ПРОСТОРОВОГО КУТОВОГО МАНІПУЛЯТОРА АВВ З ОДАЛЬШИМ 3D-МОДЕЛЮВАННЯМ

2024-12-10T18:19:34+02:00

У статті пропонується алгоритм вирішення оберненої задачі кінематики шестиступеневого кутового маніпулятора на базі моделі робота АВВ. Алгоритм заснований на отриманих авторами аналітичних викладках, які становлять послідовність виразів, що дозволяють за заданим законом руху вихідної ланки – захвату визначити всі 6 кутів повороту частин кінематичних пар, що з’єднують ланки. Спочатку з умов виконання захватом виробничого завдання визначається закон його руху – функціями часу декартових координат полюса та орієнтаційних параметрів. За полюс може бути обрана будь-яка точка захвату. Як орієнтаційні параметри можуть використовуватися кватерніон або матриця повороту. Показано, як можна побудувати матрицю повороту та кватерніон за законами зміни декартових координат трьох точок захвату. Особливістю маніпулятора, що розглядається тут, є наявність загальної точки осей повороту трьох останніх ланок. Це дозволяє із закону руху захвату визначити закон руху цієї точки. Після чого однозначно визначаються законі зміни кутів повороту трьох перших ланок. При цьому одночасно вирішується орієнтаційне завдання цих ланок. Для визначення кутів трьох останніх ланок складається матричне чи кватерніонне рівняння, виходячи з еквівалентності двох послідовностей поворотів ланок. Перша – сукупність вже відомих поворотів від третьої ланки через другу та першу ланку до абсолютної системи координат і, нарешті, від абсолютної системи до захвату. Параметри цих поворотів відомі. Друга послідовність – це 3 повороти на невідомі кути трьох крайніх ланок від третьої знову до захвату. Ці невідомі кути визначаються з такого рівняння. Виклад складу запропонованого алгоритму ведеться з урахуванням маніпулятора АВВ, але може бути прикладений до маніпуляторів класу ПУМА. Алгоритм реалізований за допомогою спеціальної системи комп'ютерної алгебри КіДиМ та розробленої програми на С++, яка використовує можливості OpenGL та SolidWorks, що дозволяють 3D-візуалізацію результатів розрахунків.

ЕВРИСТИЧНИЙ ПІДХІД ДО ПРОГРАМНОЇ РЕАЛІЗАЦІЇ МЕТОДУ ЛІТТЛА НА ПРИКЛАДІ ЗАДАЧІ КОМІВОЯЖЕРА

2024-11-25T13:15:38+02:00

Розглянуто задачу комівояжера (комівояжер — бродячий торговець; англ. Travelling Salesman Problem, TSP) як одну з найбільш популярних оптимізаційних задач. Ця задача полягає у знаходженні найвигіднішого маршруту, що проходить через вказані міста по одному разу. В умовах даної задачі застосовуються критерій вигідності маршруту (тобто найкоротший та найдешевший) і відповідні матриці відстаней (в кілометрах). Задано, що маршрут повинен проходити через кожне місто тільки один раз, в такому випадку розв'язок знаходиться серед гамільтонових циклів. Для можливості застосування математичного апарату для розв'язання проблеми, її представлено у вигляді математичної моделі. Проблему комівояжера подано у вигляді моделі на графі, тобто, використовуючи вершини та ребра між ними. Авторами запропоновано застосування евристичного методу до розв’язання даної задачі. Для цього вдосконалено програмну реалізацію алгоритму Літтла, який вибирає для розбиття множини з мінімальною межею з усіх можливих гілок, а не з двох отриманих в результаті останнього розбиття. При цьому використовується евристичний підхід до вибору множини з межею не більше, ніж мінімальна. Продемонстровано роботу програми на прикладі проїзду автомобілем між містами України, заданими реальної матрицею відстаней (в кілометрах). Виявлено, що швидкість роботи наведеної авторами програмної реалізації модифікованого алгоритму Літтла набагато вище, що дозволяє застосовувати останній замість методу повного перебору.

МЕТОД МОНТЕ-КАРЛО ТА ШТУЧНИЙ ІНТЕЛЕКТ: ВИКОРИСТАННЯ МЕТОДУ МОНТЕ-КАРЛО В НАВЧАННІ З ПІДКРІПЛЕННЯМ

2024-11-24T12:25:58+02:00

Навчання з підкріпленням - технологія, що найбільш швидко розвивається, застосовується при створенні штучні інтелектуальні системи. На даний момент ця галузь досить велика. Багато дослідників по всьому світу активно працюють з навчанням з підкріпленням у різноманітних галузях: нейробіологія, теорія управління, психологія та багато іншого. Метою даної є обґрунтування можливості застосування методу Монте-Карло в навчанні з підкріпленням. Відомо, що основним у такому навчанні є фіксація аспектів реальної проблеми при взаємодії того, хто навчається з навколишнім світом для досягнення своєї мети. Тобто агент навчання повинен мати мету, пов’язану зі станом навколишнього середовища. Також необхідно мати можливість відчувати середовище та вчиняти дії, що впливають на нього. Формулювання завдання навчання з підкріпленням має враховувати все три аспекти – відчуття, дія та мета – у їх найпростіших формах. Методи Монте-Карло здатні вирішити проблеми навчання із підкріпленням, ґрунтуючись на усередненні результатів вибірки. Щоб забезпечити доступність чітко визначених результатів, у статті розглядаються методи Монте-Карло лише епізодичних завдань. Таким чином, методи Монте-Карло можуть бути інкрементними лише на рівні епізодів.

АВТОМАТИЗАЦІЯ КОНТРОЛЮ ЯКОСТІ ВЖИВАНИХ ДЕТАЛЕЙ НА ОСНОВІ 2D-ЗОБРАЖЕНЬ І НЕВІЗУАЛЬНОЇ ІНФОРМАЦІЇ: ПІДХІД ДО ПОДОВЖЕННЯ ЖИТТЄВОГО ЦИКЛУ ВИРОБУ

2025-01-01T20:17:06+02:00

У статті представлено методологію автоматизації контролю якості використаних деталей після їх розбірки, зосереджуючись на визначенні їхньої придатності до повторного використання. Запропонований підхід використовує 2D-зображення деталей, доповнені невізуальною інформацією, зокрема розмірами та історією експлуатації, для точної ідентифікації зношених або пошкоджених компонентів. Методологія складається з чотирьох етапів: отримання вихідних даних, сегментації отворів, класифікації масштабу та оптимізації, а також класифікації та валідації допусків діаметра. Використання моделі Mask R-CNN з механізмом уваги (SEBlock) у поєднанні з класифікатором Random Forest дозволило досягти високої точності виявлення дефектів, зокрема невідповідностей діаметрів отворів встановленим допускам. Результати дослідження продемонстрували середню точність класифікації на рівні 79%, із максимальними показниками прецизії, повноти та F1-оцінки у певних випадках. Система показала високу ефективність, уникаючи хибнонегативних результатів та мінімізуючи кількість хибнопозитивних помилок. Запропонована методологія є економічно ефективною, оскільки усуває потребу в дорогому 3D-сканувальному обладнанні, що спрощує її інтеграцію у виробничі лінії та ремонтні станції. Інтеграція багаторівневої 3D-концепції дозволяє враховувати геометричні параметри та мікроструктурні характеристики деталей на різних рівнях, що підвищує точність аналізу. Система має певні обмеження: вона може аналізувати лише один тип деталі за раз і не здатна виявляти особливості, невидимі на 2D-зображеннях. Водночас вона відкриває перспективи для подальших досліджень, спрямованих на вдосконалення методів аналізу поверхонь і використання багатокутового стереозору. Впровадження запропонованої системи сприяє підвищенню ефективності виробничих процесів, зменшенню витрат на закупівлю нових компонентів та підтримує екологічну сталість шляхом продовження життєвого циклу деталей. Подальші дослідження будуть зосереджені на адаптації методології для різних типів деталей і впровадженні підходів багатокутового стереозору для підвищення точності та надійності контролю якості.

ДОСЛІДЖЕННЯ ТОЧНОСТІ РОБОТИ ФІЗИКО-ІНФОРМОВАНИХ НЕЙРОННИХ МЕРЕЖ НА ПРИКЛАДІ ДЕФОРМУВАННЯ БАЛКИ

2024-12-24T16:14:23+02:00

У роботі досліджено точність прогнозування деформації балки за допомогою фізико-інформованих нейронних мереж (PINN) у порівнянні зі звичайними повнозв'язними нейронними мережами. Для експерименту було використано аналітичне рішення задачі прогину балки, шарнірно опертої з одного кінця, закріпленої з іншого, та навантаженої точковою силою. Було створено набір даних, у якому варіювалася позиція прикладання навантаження для отримання різних значень прогину.

Архітектура нейронної мережі базувалася на повнозв'язній структурі, навченої для прогнозування прогину. У ході дослідження порівнювалися дві функції втрат: стандартна, яка мінімізує середньоквадратичну помилку (MSE), та комплексна, що включає фізичну компоненту. Остання враховувала закони механіки, зокрема диференціальні рівняння прогину балки, які інтегрувалися у процес навчання через градієнти вихідних даних мережі.

Результати показали, що включення фізичних законів у процес навчання значно підвищує точність прогнозів, особливо при обмеженій кількості даних. Порівняння продемонструвало, що фізико-інформована нейронна мережа забезпечує кращі результати, ніж звичайна модель, і точніше відображає поведінку балки під навантаженням. Отримані висновки підкреслюють ефективність підходу PINN для розв'язання інженерних задач, де важливу роль відіграють фізичні моделі та закони.