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

РОЗРАХУНКОВО-ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ПОЧАТКОВОГО ПАРАМЕТРУ СПРЯЖЕННЯ БАНДАЖНИХ ПОЛИЦЬ ПОПАРНО БАНДАЖОВАНИХ ЛОПАТОК НА СТАТИЧНІ НАПРУЖЕННЯ У ПЕРІ ЛОПАТКИ

Руслан Шакало — 2024-11-18

В роботі розглядаються результати експериментального дослідження впливу початкового параметру спряження бандажних полиць на статичні напруження у пері лопаток, а також порівняння отриманих результатів з розрахунковими даними. Робота проводилась як для неохолоджуваних так і для охолоджуваних робочих лопаток турбін. Встановлено, що зі збільшенням початкового параметру спряження статичні напруження у кореневому перерізі лопаток збільшуються прямопропорційно. Встановлено, що статичні напруження у пері для лівої та правої лопаток майже однакові при однаковому параметрі спряження, як для не охолоджуваних лопаток так і для охолоджуваних. Існує суттєва похибка між експериментальними та розрахунковими значеннями, при цьому характер залежності напружень від початкового параметру схожий – прямолінійний.

Застосування data-driven підходу для аналізу тепло-фізичних властивостей композитів

Руслан Лавщенко — 2024-11-18

У роботі наведено аналіз можливостей та перспектив data-driven підходу для дослідження тепло-фізичних властивостей композитних матеріалів. Проведено огляд основних концепцій та методів машинного навчання в матеріалознавстві, які виявляють потенціал для вивчення та оптимізації властивостей композитів. Обговорено використання нейронних мереж для прогнозування теплових характеристик. Порівняно data-driven підхід з традиційними методами аналізу, визначено їхні переваги та недоліки. Описано тепло-фізичні параметри композитів та сучасні методи їхнього вимірювання та прогнозування. Розглянуто застосування комп'ютерних технологій для моделювання тепло-фізичних властивостей композитів та їхніх процесів виготовлення. Результати дослідження можуть бути корисними для подальшого розвитку матеріалознавства та виробництва композитних матеріалів.

РЕАЛІЗАЦІЯ ОПТИМАЛЬНОЇ РЕКОНФІГУРАЦІЇ РОЮ БПЛА

Валерій Успенський — 2024-11-18

Сьогодні застосування БПЛА коптерного типу у різних галузях господарства є економічно виправданим та інколи безальтернативним.
Наступним кроком до підвищення ефективності такої технології є використання груп БПЛА, об'єднаних однією задачею. Якщо такі групи
містять велику кількість апаратів, розташованих досить щільно, їх називають роями. Наочним загально відомим прикладом застосування
роїв квадрокоптерів є створення у небі візуальних образів та їх перетворення за певною програмою. Очевидно, що можливості таких
структур набагато ширші і вони мають дуже гарні перспективи у майбутньому. Але для реалізації таких можливостей необхідно розв'язати
низку задач, починаючи з методів отримання та обміну поточної інформацією між членами групи, закінчуючи стратегічним плануванням та
оперативним керуванням окремими апаратами. Ці задачі обтяжуються додатковими умовами безпеки та оптимальності функціонування. В
даній статті розглянуте моделювання оптимальної реконфігурації великої групи БПЛА із фактичного початкового стану у бажаний
кінцевий. Для кожного апарату визначається кінцева точка, в яку він буде рухатись. Така задача має не єдиний розв'язок, тому додано
критерій оптимальності – тривалість повної реконфігурації, яку треба мінімізувати. Задача розглядається в умовах однакової та постійної
швидкості польоту усіх БПЛА коптерного типу. Аналіз усіх варіантів є неможливим, бо обчислювальна складність такого методу
пропорційна N факторіал, де N – кількість БПЛА в групі. Розроблено квазіоптимальний метод, складність якого пропорційна N. Шляхом
статистичного моделювання доведена його ефективність, яку можна порівняти із ефективністю оптимального методу. Отримано також
непрямі оцінки його ефективності у загальному випадку. Розглянуто конкретні приклади реконфігурації рою. Описано та досліджено
алгоритм запобігання зіткнень БПЛА під час руху за призначеними траєкторіями. Отримані результати є складовою частиною комплексу
задач з навігації та управління БПЛА в умовах великої щільної групи.

ПРО МОДЕЛЮВАННЯ ГРАНИЧНИХ УМОВ У ЗАДАЧІ ВИЗНАЧЕННЯ ВЛАСНИХ ЧАСТОТ ТРУБИ

Олександр Трубаєв — 2024-11-18

У статті розглянуті питання моделювання граничних умов для обчислення власних частот прямолінійної циліндричної труби на основі скінчено-елементних моделей. Для цього були використані різні типи моделей, включаючи стрижневі (Pipe), оболонкові (Shell) та твердотільні (Solid). У дослідженні розглянуто різні варіанти реалізації умов шарнірного та жорсткого закріплення: в двох точках, в чотирьох точках, по лінії серединної поверхні труби для моделі Shell, по торцевій поверхні або по частині зовнішньої поверхні труби для моделі Solid. Результати дослідження показали, що модель Pipe забезпечує найкраще наближення до аналітичного рішення. Для моделей Shell та Solid при шарнірному закріпленні найкращим варіантом граничних умов, який дозволяє наблизитись до аналітичних результатів, є закріплення на кожному краю труби у двох точках, через які проходить нейтральна лінія поперечного перерізу труби при згині. При жорсткому закріпленні результати, отримані за моделлю Shell, є найбільш наближеними до аналітичного рішення, якщо закріплення здійснюється за чотирма точками або по лінії серединної поверхні труби. Для моделі Solid найбільш ефективним є закріплення по торцевій або по частині зовнішньої поверхні труби. Аналіз форм власних коливань показав, що при різних умовах закріплення виникають форми коливань, пов'язані з деформацією труби як оболонки. Дана оцінка збіжності отриманих результатів, яка підтвердила адекватність скінчено-елементних моделей. Висновки з проведеного дослідження дозволили визначити ефективні способи завдання граничних умов для моделей Shell та Solid, що також підтверджується попередніми експериментальними дослідженнями авторів. Для отримання більш точних результатів при визначенні власних частот трубопровідних систем рекомендується використовувати експериментальні методи дослідження поряд з чисельними. Отримані результати мають практичне значення для вирішення завдань проектування та оцінки ресурсу трубопровідних систем у різних сферах промисловості.

ВИКОРИСТАННЯ МЕТОДУ ЗВАЖЕНИХ ВІДХИЛІВ У ФОРМІ МСЕ ДЛЯ АПРОКСИМАЦІЇ ДВОВИМІРНИХ РОЗПОДІЛІВ

Дмитро Бреславський — 2024-11-18

Статтю присвячено опису методу двовимірної апроксимації даних за допомогою алгоритмів методу зважених відхилів з кусково заданими базисними функціями у реалізації методу скінченних елементів. Надано математичну постановку задачі та основні співвідношення методу для двовимірних областей. До моделювання залучено трикутний скінченний елемент. Наведено інформацію щодо розробленої за алгоритмами даного методу програми, результатом роботи якої є виділення областей двовимірної фігури з заданими значеннями параметрів, що аналізуються. З використанням випадково розподілених координат виконано верифікацію результатів для різних наборів даних та отримано задовільну відповідність апроксимованих та вхідних даних. Для створення бази даних, які заплановано до обробки шляхом апроксимації, розроблено додаткове програмне забезпечення, що включає програми, написані мовою Python, та вебзастосунок, створений за допомогою фреймворку Laravel мовою PHP. Для реалізації завдань роботи використано бібліотеки PyQt5, OSMnx, requests, aiohttp, BeautifulSoup та систему управління базами даних PostgreSQL. Описано алгоритми роботи розробленого програмного забезпечення. Надано приклад відтворення місць розташування міст на мапі України. Розроблену програму двовимірної апроксимації було застосовано до аналізу просторово-часової динаміки виникнення міст на терені України. Як приклад, розглянуто дані з заснування міст у період з 800 по 1200рр. від РХ та визначено основні урбанізовані на той час регіони. Результати даної скінченноелементної апроксимації отримано з метою підготовки даних для подальшого моделювання соціодинамічних процесів на терені України. Отримані результати у вигляді координат границь регіонів, що мали високий рівень урбанізованості, можуть бути використані у різних наукових дослідженнях, в першу чергу в історичних науках.

ГЕОМЕТРИЧНО НЕЛІНІЙНИЙ ЗГИН ФУНКЦІОНАЛЬНО-ГРАДІЄНТНИХ ПОЛОГИХ ОБОЛОНОК НА ПРУЖНІЙ ОСНОВІ

Катерина Любицька — 2024-11-18

В роботі розглянуто задачу геометрично-нелінійного згину пологих елементів конструкцій, виготовлених з функціонально-градієнтних матеріалів (FGM) під впливом різноманітного поперечного навантаження. Пологі оболонки, що розглядаються, можуть мати довільну форму плану та контактують з пружною основою типу Вінклера-Пастернака. Математичну постановку виконано в рамках класичної геометрично-нелінійної теорії. Для лінеаризації нелінійної системи диференціальних рівнянь рівноваги застосовано метод послідовних навантажень в комплексі з методом Ньютона. Ефективні механічні характеристики FGM змінюються в напрямку товщини та обчислюються згідно зі степеневим законом. Використання теорії R-функцій, дозволило побудувати необхідні системи координатних функцій у разі довільної геометрії плану оболонки та способів її обпирання. Запропонований підхід програмно реалізовано, протестовано та застосовано для розв’язання задач згину пологих оболонок складної форми плану з отворами. Досліджено вплив коефіцієнтів пружності основи, градієнтного показника в розподілі часток металу та кераміки, а також інших параметрів на прогини елементів конструкцій.

Пошук оптимальних параметрів активних конструктивних елементів підвішування шляхом визначення їхніх інтегральних жорсткістних та демпфувальних характеристик

Володимир Mартиненко — 2024-11-18

В роботі представлений підхід до моделювання системи «Ротор в активних магнітних підшипниках» та подальшого пошуку оптимальних параметрів опор для забезпечення нерезонансної роботи машини у всьому діапазоні робочих швидкостей обертання. У якості об’єкта дослідження виступають активні магнітні підшипники для ротора промислового вентилятора місцевого провітрювання шахти, що був попередньо встановлений у підшипники кочення та через відсутність необхідного навантаження на них має великі втрати ефективності на тертя. Для вирішення проблем із втратою ефективності, пропонується використовувати активні магнітні підшипники з системою керування на основі пропорційно-інтегрально-похідного регулятора з принципами керування одним входом і одним виходом, що є більш дешевою та простою у впровадженні системою у порівнянні із системами множинного входу і множинного виходу, проте може виступати дієвим засобом для вирішення описаних проблем у роботі машини. Предметом дослідження є динаміка ротора промислового вентилятора в активних магнітних підшипниках, що моделюються за допомогою пружинно-демпферних елементів із коефіцієнтами жорсткості та демпфування, які визначаються за допомогою розробленого у роботі підходу. Він заснований на представленні активних магнітних підшипників як електромеханічної системи із компонентами, динаміка яких у частотному діапазоні описується передатними функціями. Формування передатної функції активного магнітного підшипника в цілому та подальше її включення в систему рівнянь динаміки ротора дозволяє отримати відносно прості залежності коефіцієнтів жорсткості та демпфування підшипників від швидкості обертання ротора. Ці залежності містять у собі фізичні параметри компонентів активних магнітних підшипників та параметри їхніх систем керування, що дозволяє не тільки змоделювати динаміку ротора в таких підшипниках, а і провести пошук їхніх оптимальних параметрів, зокрема значення току зміщення в електромагнітах, необхідного для забезпечення відсутності резонансів ротора із синхронними збуджуючими навантаженнями у всьому діапазоні робочих швидкостей обертання, що підтверджується побудовою залежностей критичних швидкостей ротора від струму зміщення, а також діаграми Кемпбелла для оптимального значення струму зміщення.

Аналіз особливостей умов роботи сучасних лопаток газових турбін та огляд методів визначення параметрів їх високотемпературної міцності

Євген Неманежин — 2024-11-18

Предметом дослідження є сучасні методи та матеріали для виготовлення лопаток газових турбін, а також підходи та методи оцінки показників їх динамічної та статичної міцності в умовах високотемпературного навантаження. Першою метою статті постає опис основних способів виготовлення лопаток турбін, наведення прикладів використовуваних матеріалів та особливостей їх кристалічної структури. Другою метою матеріалу є огляд підходів для забезпечення параметрів динамічної та статичної міцності монокристалічних лопаток турбін, зокрема, відстроювання від небезпечних резонансних режимів, дослідження параметрів анізотропної повзучості, високотемпературної втомної довговічності та довготривалої міцності. Задачею статті є виділення основних переваг та недоліків існуючих способів, підходів та методів оцінки та забезпечення параметрів високотемпературної міцності лопаток турбін в умовах статичних та динамічних навантажень, з метою обрання цілей подальших досліджень. Методи, що використовувалися про створенні публікації: методи аналізу та порівняння, що застосовувався при пошуку та співставленні відкритих літературних джерел інформації згідно мети статті, а також метод дедукції, що використовувався при виділені основних недоліків існуючих методів оцінки високотемпературної міцності лопаток газових турбін в умовах статичних та динамічних навантажень для намічання цілей подальших досліджень. Отримано наступні результати. Проаналізовані літературні джерела, що стосуються методів виготовлення лопаток турбін, а саме спрямованої кристалізації та монокристалічного лиття. Підкреслені переваги монокристалічних сплавів для виготовлення лопаток турбін, а саме підвищені жароміцність, жаростійкість, втомна міцність, довговічність та тріщиностійкість. Проаналізовані та описані основні сучасні методи оцінки високотемпературної міцності лопаток газових турбін з урахуванням анізотропних характеристик монокристалічних сплавів. Висновки. У наведеній публікації представлено відомості про лопатки газових турбін, зокрема, надано змістовну інформацію про методи їх виготовлення, а також матеріали, що використовуються для їх отримання. У дослідженні проаналізовано та визначено основні пошкоджуючі впливи, що діють на лопатки газових турбін в процесі їх експлуатації. У матеріалі зазначені досягнення науковців, які розробили чисельні та експериментальні методи для оцінювання впливу анізотропних характеристик монокристалічних нікелевих жароміцних сплавів на показники втомної міцності, довговічності та повзучості лопаток турбін

Чисельно-аналітична оптимізація алгоритмів орієнтації на сферичній моделі кутового руху твердого тіла

Юрій Плаксій — 2024-11-18

Розглядається задача чисельно-аналітичної оптимізації трьох алгоритмів визначення кватерніонів орієнтації за рахунок уточнення коефіцієнтів в структурі алгоритмів. З них два алгоритми використовують в якості «проміжного параметра» вектор орієнтації. Уточнення коефіцієнтів відбувається на основі комп’ютерного моделювання ї мінімізації похибки накопиченого обчислювального дрейфу із застосуванням в якості модельного обертального руху аналітичної еталонної моделі сферичного руху твердого тіла в послідовності кутів Крилова, що змінюються в часі за лінійним законом. Для цього модель тестового руху доповнюється моделюванням ідеальної інформації з виходів датчиків кутової швидкості у вигляді квазікоординат з використанням аналітичних формул для вектора позірного повороту. Показано, що накопичена похибка обчислювального дрейфу на запропонованій еталонній моделі обертального руху має лінійний закон зростання з часом для всіх алгоритмів, що розглядаються. В результаті чисельного експерименту отримані нові значення коефіцієнтів в структурах алгоритмів, що мінімізують похибку накопиченого дрейфу і покращують характеристики тренду цієї похибки. Проведена оптимізація призводить до зменшення на порядок максимального значення похибки і змінення лінійно-зростаючого характеру залежності величини похибки обчислювального дрейфу від часу на коливальний. Наводяться результати обчислювального експерименту.

ЧИСЕЛЬНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ПРИ РОЗРАХУНКАХ ТЕХНОЛОГІЧНИХ СИСТЕМ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ ОБРОБКИ. ЧАСТИНА І: РОЗПОВСЮДЖЕННЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО ПОЛЯ

Денис Лавінський — 2024-11-18

У статті розглянуто проблему чисельного моделювання при розрахунках розповсюдження електромагнітного поля у системах електромагнітної формовки. З проведеного аналізу відкритих інформаційних джерел випливає, що проблема чисельного моделювання при створенні нових технологічних операцій електромагнітної формовки або при удосконаленні вже існуючих є актуальною у науковому та практичному сенсі. Це пов’язано із необхідністю виконувати адекватний чисельне моделювання розрахунковий аналіз технологічних систем і технологічних операцій на етапі створення та удосконалення. Стосовно технологічних систем електромагнітної обробки розрахункові схеми і моделі повинні надавати змогу досліджувати розповсюдження нестаціонарного електромагнітного поля та досліджувати процеси нелінійного деформування технологічних елементів, яке викликано силовою взаємодією наведеного електромагнітного поля із полем джерела. Адекватне чисельне моделювання повинно спиратись на відповідні розрахункові процедури, основою для яких є чисельні методи. У статті обґрунтовано необхідність використання чисельних методів для проведення розрахункового аналізу, які дозволяють створювати розрахункові схеми наближені до реальності у більшій мірі у порівнянні із випадком використання аналітичних підходів та методів. Найбільш ефективним чисельним методом є метод скінченних елементів, який дозволяє проводити аналіз нестаціонарного електромагнітного поля та деформування в рамках однієї і тієї ж розрахункової схеми. У цьому випадку в рамках методу скінченних елементів можуть бути створені ітераційні схеми, що дозволяють враховувати нелінійні ефекти. Тут нелінійні ефекти можуть бути обумовлені залежністю механічних та електрофізичних властивостей матеріалу від температури, пластичним характером деформування, а також необхідністю обліку контактних явищ. Наведено результати з моделювання розповсюдження електромагнітного поля одновиткового індуктора.