Отдел формообразования в машиностроении

Руководитель отдела:
доктор наук

Мялица Анатолий Константинович

Отдел моделирования и идентификации тепловых процессов

Основные научные направления

  • Повышение ресурса работы изделий и инструментов методами модификации их рабочих поверхностей
  • Разработка методик определения и прогнозирования состояния материалов, прочностной надежности и ресурса действующего энергетического оборудования
  • Исследование скоростных процессов в элементах конструкций
  • Теория сингулярных и гиперсингулярных интегральных уравнений
  • Теория трещин в твердом теле и конструкциях
  • Аэроупругость и гидроупругость тонкостенных конструкций
  • Теория оптимизации и ее приложения
  • Теория слоистых пластин и оболочек

Направления фундаментальных исследований

  • Научные основы технологий поверхностного упрочнения металлов и сплавов
  • Научные основы технологий нанесения защитных покрытий на режущие инструменты, детали узлов трения и энергетического оборудования
  • Экспериментальные исследования особенностей скоростного деформирования материалов и элементов конструкций при кратковременных нагрузках
  • Экспериментально-расчетные методы диагностики степени повреждения материалов
  • Разработка теорий и методов численного решения гиперсингулярных уравнений. Анализ эффективности и
    применяемости методов граничных элементов, проекционных методов в сочетании с МКЭ в задачах
    гидроупругих колебаний элементов машиностроительных конструкций
  • Прочность и оптимизация слоистых пластин и оболочек
  • Разработка методов решения задач теплопроводности, термоупругости и нестационарных колебаний

Направления прикладных исследований

  • Разработка концепции адгезионной активности твердых тел различной природы, позволяющей осуществлять целенаправленное регулирование интенсивности адгезионного взаимодействия контактирующих тел применительно к различным технологическим процессам (в т.ч. резанию, обработке металлов давлением, трению и изнашиванию машин и механизмов, нанесению защитных покрытий)
  • Разработка защитных покрытий для улучшения эксплуатационных характеристик изделий: повышение эрозионной, коррозионной стойкости и усталостной долговечности (в т.ч. в условиях фреттинга), повышение износостойкости узлов трения и т.д.
  • Разработка методологии оценки прочностной надежности и ресурса элементов и объектов энергетического оборудования с помощью компьютерного моделирования (расчетно-экспериментальный метод – РЭМ)
  • Компьютерное моделирование процессов деградации материала элементов конструкций с целью определения основных закономерностей процессов накопления повреждений в условиях циклического нагружения
  • Изучение физического механизма прочности и разрушения твердых тел в условиях малоцикловой и многоцикловой усталости с учетом залечивания дефектов твердого тела, появившихся в результате циклического нагружения, что даст возможность рационального использования физических методов неразрушающего контроля (в т.ч магнитных) состояния материалов эксплуатируемых изделий с целью определения их остаточного ресурса
  • Научные основы технологических процессов импульсной обработки материалов и элементов конструкций
  • Разработка методов повышения безопасности ударостойкого остекления высокоскоростного железнодорожного транспорта и ударостойкого остекления кабины самолетов гражданской авиации
  • Разработка методов и программ анализа прочности, безопасности, надежности и оптимального проектирования защитных оболочек атомных электростанций, выдерживающих удар самолета
  • Разработка технологии изготовления имитатора птицы для испытания изделий конструкционной оптики на птицестойкость
  • Оптимальное проектирование крышек гидротурбин
  • Разработка метода и пакета программ для расчета вынужденных колебаний несущих конструкций гидротурбин с учетом гидроупругости
  • Разработка методики расчета прочностных и динамических характеристик элементов ВЭУ

Отдел работает в тесном сотрудничестве с учеными других организаций – ХНТУ «ХПИ»; ХНАУ им. Н.Е. Жуковского «ХАИ»; ХФТИ, Львовский Физико-механический институт им. Карпенко, ХНУ им. В.Н. Каразина и др.

Завершенные разработки

Обобщенная концепция адгезии твердых тел

С учетом основных положений конфигурационной модели вещества проанализированы особенности адгезии твердых тел различной природы и выделены наиболее важные элементы, которые объединены в обобщенную концепцию адгезии твердых тел. Применение обобщенной концепции открывает широкие возможности для развития технологий целенаправленного модифицирования фазового и химического состава рабочих поверхностей изделий, требующих коррекции их адгезионной активности.

Измерительно-вычислительный комплекс «Тензодин»

Методология контроля и диагностики муфт из полимерных композиционных материалов

Контроль усталости ферромагнитных материалов неразрушающим магнитным (коэрцитиметрическим) методом

Высокоэффективные защитные ионно-плазменные покрытия для режущих инструментов и деталей узлов трения

Комплекс программ по расчету на прочность и оптимальному проектированию многослойного остекления высокоскоростных транспортных средств

Комплекс программ по расчету температурных полей и напряжений многослойного остекления при проектировании многослойного остекления с электрообогревом для летательных аппаратов и железнодорожных локомотивов

Комплексная методика исследования напряженно - деформированного состояния крышек радиально-осевой и поворотно-лопастной гидротурбины, определение их вибрационных характеристик с учетом влияния среды, а также оптимальное проектирование крышек с уменьшенным весом и повышенной прочностью

Устойчивость сотовых конструкций при статическом и циклическом нагружениях

Исследованы основные закономерности кинетики потери устойчивости сотового заполнителя и сотовых конструкций при статическом и циклическом нагружениях.

1 – несущие слои; 2 – силовой элемент; 3 – заполнитель. Трехслойная конструкция с сотовым заполнителем

Оценка прочностной надежности и остаточного ресурса комбинированных баллонов

Комбинированные баллоны относятся к числу необходимых элементов многих технических систем и представляют собой важный класс объектов повышенной опасности. Комбинированный баллон представляет собой лейнер – внутреннюю герметизирующую оболочку – обмотанный по всей поверхности высокомодульным полимерным композиционным материалом. Конструкция баллона должна позволять многократно нагружать его как внутренним, так и наружным рабочим давлением.

Диагностика прочностной надежности комбинированных баллонов может быть проведена на различных этапах их жизненного цикла – при конструировании (используется расчетно-экспериментальный метод), после изготовления и при эксплуатации (используется относительный акустико-эмиссионный критерий KN).

Диагностика прочности элементов летательных аппаратов из полимерных композитов методом акустической эмиссии (АЭ)

При испытании образцов и изделий из полимерных композитов (отсеков лонжеронов лопастей несущих винтов вертолетов и органопластиковых цилиндрических оболочек с днищами) была установлена 100 % возможность применения относительного АЭ-критерия KN для диагностики прочности при корректном тестовом воздействии.

Методика оценки несущей способности и остаточного ресурса элементов конструкций

Методика основана на использовании различных методов неразрушающего контроля, включая акустико-эмиссионный метод, и специальный расчетно-экспериментальный метод (РЭМ). Использует физические представления о процессе разрушения и позволяет учесть влияние всех его стадий и всех возможных видов повреждений (эрозии, коррозии и т.п.).
    Применяется для оценки несущей способности и остаточного ресурса элементов конструкций на всех стадиях их жизненного цикла (при проектировании, изготовлении и эксплуатации).
    Методика позволяет провести оценку технического состояния и остаточного ресурса различных элементов конструкций при ремонте оборудования. Определение фактического состояния материала элементов изделия стандартными методами (металлографическим, методами неразрушающего контроля) и применение разработанного специального РЭМ дает возможность определить остаточный ресурс элементов конструкций даже без строгого учета всей предыстории нагружения материала. В этом случае модель предполагаемых эксплуатационных нагрузок для цикла «исходное состояние – эксплуатация – определение нового состояния материала – оценка остаточного ресурса» в течение продлеваемого периода будет соответствовать режимам нагружения за истекший период эксплуатации.
    При определении остаточного ресурса методика позволяет учесть все многообразие физико-механических процессов и факторов, приводящее к деградации материала элементов конструкций.
    Может быть использована в различных отраслях, в первую очередь в авиационной и нефтегазовой промышленности, в тепловой и атомной энергетике и др. При этом возможна оценка состояния элементов конструкций из различных материалов: сталей и сплавов, полимерных композитов, керамики и т.д.
    Методика проверена при оценке степени поврежденности материалов на разных этапах их деградации в процессе нагружения. Разработано программное обеспечение для оценки несущей способности и остаточного ресурса, необходима лишь адаптация к реальным техническим объектам.

Применение компьютерного моделирования для оценки показателей надежности невосстанавливаемых объектов энергетического машиностроения

Для оценки показателей надежности невосстанавливаемых объектов по модели «нагрузка – несущая способность» разработан программный комплекс «РЭМ», созданный в среде Delphi 2007 и состоящий из двух самостоятельных программ – программы моделирования на ЭВМ процесса разрушения материала объекта (РЭМ1) и программы моделирования зависимости между нагрузкой и несущей способностью объекта (РЭМ2).

Методика проведения виртуальных разрушающих испытаний ответственных оболочечных конструкций

   Разработана методика и программное обеспечение для определения разрушающих давлений действующих на оболочечные конструкции. Задача определения разрушающей нагрузки на конструкцию сформулирована в трехмерной постановке, но может рассматриваться и в упрощенной постановке при наличии плоскостей симметрии в конструкции. Нагружение оболочки происходит путем наращивания давления до величин разрушающих нагрузок. В качестве критерия разрушения принят критерий роста интенсивности пластических деформаций.

   В настоящее время в Украине отсутствуют аналоги таких методик. Например, определение разрушающего давления в топливных баках осуществляют путем экспериментальных исследований. Образцы баков подвергают действию внутреннего давления вплоть до разрушения. Разработанная методология позволяет существенно снижать затраты на проведение дорогостоящих экспериментов.

   Методика может быть использована при проектировании оболочечных конструкций в условиях интенсивных статических и динамических нагрузок в аэрокосмической и химической промышленности.

Фундаментальные исследования

Научные основы технологий поверхностного упрочнения металлов и сплавов

Разработаны физические основы определения степени деградации конструкционных материалов во время эксплуатации соответствующих элементов действующего оборудования. Предложен способ продления службы изделий за счет проведения в процессе ремонта специальных поверхностных обработок в режиме ударного воздействия на поверхность изделия, вызывающих упруго-пластическую деформацию его поверхностных объемов в условиях существования гидростатической составляющей нагружения.

Научные основы технологий нанесения защитных покрытий на режущие инструменты, детали узлов трения и энергетического оборудования

Созданы научные основы для практической разработки новых материалов и покрытий с регулированным уровнем их адгезионной активности. Впервые получена возможность управления важнейшим свойством рабочих поверхностей изделий (режущих инструментов, поверхностей трения тяжелонагруженных деталей топливной аппаратуры, гидрообъемных передач, деталей, подвергающихся кавитации и фреттинг-коррозии), которая заключается в использовании технологических приемов направленного изменения химического и фазового составов приповерхностных слоев материала.

Экспериментальные исследования особенностей скоростного деформирования материалов и элементов конструкций при кратковременных нагрузках

Разработана методика исследования динамических характеристик материалов в условиях высокоскоростного деформирования с помощью широкополосного тензоизмерительного комплекса.

Область использования методики включает:
• исследование прочности и напряженно-деформированного состояния конструкций;
• определение параметров процессов формообразования, соединения и разделения;
• изучение характера деформирования поверхностей материалов в зависимости от их состояния.

Экспериментально-расчетные методы диагностики степени повреждения материалов

Разработан специальный расчетно-экспериментальный метод (РЭМ), основанный на компьютерном моделировании процесса разрушения материалов и элементов конструкций.

Метод позволяет:
• воспроизводить поврежденность материала при любом исследуемом законе нагружения;
• учитывать как образование и развитие индивидуальных микротрещин, так и закономерности развития ансамбля трещин в целом;
• учитывать влияние распределенности свойств отдельных мезоообъемов материала на прочность и долговечность образцов и элементов конструкций.

Разработка теории и методов численного решения сингулярных интегральных уравнений, метода граничных элементов, проекционных методов в сочетании с МКЭ в задачах гидроупругих колебаний элементов машиностроительных конструкций
Проведена разработка и дано теоретическое обоснование методов расчета динамических характеристик сложных пространственных конструкций, взаимодействующих со средой. Полученные результаты стали основой инженерных расчетов частот и форм рабочих колес и крышек поворотно-лопастных и радиально-осевых гидротурбин. На основе методов теории потенциала и граничных интегральных уравнений построены математические модели для исследования свободных колебаний элементов турбомашин, емкостей и цистерн при взаимодействии с заполнителями.

Прочность и оптимизация слоистых пластин и оболочек
Создана методика оптимального проектирования многослойных конструкций при нестационарных нагрузках. Поставлена и решена задача о минимизации массы и максимальных напряжений в слоях многослойной пластины и цилиндрических оболочек при импульсном нагружении. Предложена двухуровневая итеративная схема оптимального синтеза многослойных пластин минимальной массы.

Прочность и оптимизация конструкций с нелинейными связями
Создана методика оптимального проектирования конструкций с нелинейными упруго-демпферными связями. Поставлена и решена задача о минимизации массы связей при ограничениях кинематических и динамических параметров конструкции

Разработка теорий и методов решения задач о нестационарных колебаниях многослойных конструкций
Разработана новая теория многослойных оболочек, учитывающая деформации сдвиги и инерцию вращения нормального элемента в каждом слое. Для пакета принята гипотеза ломаной линии. Разработаны новые дискретно-структурные теории многослойных пластин; теория высокого порядка и обобщенная теория. Созданы методы расчета нестационарных колебаний многослойных пластин и оболочек, лежащих на упругом основании. Разработан оригинальный метод решения трехмерных задач динамики многослойных пластин и цилиндрических оболочек.

Разработка методов решения задач теплопроводности и термоупругости слоистых конструкций
Разработан метод решения задач стационарной и нестационарной теплопроводности многослойных пластин и оболочек неканонической формы в плане, который позволяет представить решение задачи в аналитическом виде.

Разработка аналитико-численных методов решения статических и динамических контактных задач
Разработан подход к решению динамических контактных задач, объединяющий достоинства аналитических и универсальность численных методов. Контактная задача решается методом коллокаций с итеративным уточнением размеров зоны контакта на каждом временном шаге.

Прикладные исследования

Исследование задач машиностроительных конструкций гибридным адаптивным методом оптимизации
Разработан оригинальный гибридный метод оптимизации, благодаря которому эффективно решаются многопараметрические задачи оптимального проектирования конструкций с учетом системы ограничений. Как правило, эти ограничения являются результатом решения задачи анализа проектируемого объекта. К таким задачам относятся вопросы определения формы, прочности, устойчивости конструкции и т.п.

Технология изготовления имитатора птицы для испытания изделий конструкционной оптики на птицестойкость
Разрабатывается имитатор птицы для испытаний изделий конструкционной оптики самолетов на птицестойкость. В отличие от существующих аналогов имитатор отвечает санитарно-гигиеническим требованиям, эстетическим нормам, отличается простотой изготовления и не требует особых условий для хранения на протяжении длительного периода времени.

Разработка комплекса математических методов для расчета и оптимального проектирования многослойных дорожных покрытий нежесткого типа
Создана математическая модель многослойного дорожного покрытия, учитывающая деформацию поперечного сдвига и инерцию вращения нормали в каждом слое. Математическая модель позволяет исследовать влияние конструктивных параметров и характеристик основания на напряженно-деформированное состояние покрытий при импульсном нагружении.

Разработка метода и пакета программ для расчета вынужденных колебаний несущих конструкций гидротурбин с учетом гидроупругости
Разрабатывается методика и пакет прикладных программ для решения задачи вынужденных колебаний крышек гидротурбин с учетом влияния идеальной жидкости. Задача сводится к совокупности методов конечных и граничных уравнений.

Разработка методов и способов оценки ресурса и диагностики сварных конст-рукций гидротурбин в условиях установившихся и переходных режимов
Разработаны методы оценки ресурса (на стадии проектирования) и остаточного ресурса (при модернизации оборудования) основных сварных элементов и узлов (рабочие колеса, крышки, камеры рабочего колеса, отсасывающие трубы) гидротурбин. Созданы и развиты эффективные высокоточные методы численного анализа напряженно-деформированного состояния и динамики сварных конструкций с учетом возникающих дефектов при эксплуатационных режимах.

Разработка методов для анализа прочности и оптимального проектирования ударостойкого остекления с электрообогревом для высокоскоростных транспортных средств (самолеты, железнодорожные локомотивы, скоростные суда)
Разрабатывается комплекс методов, ориентированных на оптимальное проектирование ударопрочного остекления высокоскоростных транспортных средств с учетом основных эксплуатационных режимов.

Разработка теории, методов и прикладных программ определения статических и динамических характеристик (с учетом влияния жидкости) элементов конструкций
Сформулированы физико-математические модели для определения статических и динамических характеристик элементов конструкций. Разработан эффективный метод численного решения задачи определения частот и форм собственных колебаний конструкций, взаимодействующих с водой.

Формы свободной поверхности жидкости в резервуаре при отсутствии и при наличии плавающей крышки

Исследование задач машиностроительных конструкций гибридным адаптивным методом оптимизации
Разработан оригинальный гибридный метод оптимизации, благодаря которому эффективно решаются многопараметрические задачи оптимального проектирования конструкций с учетом системы ограничений. Как правило, эти ограничения являются результатом решения задачи анализа проектируемого объекта. К таким задачам относятся вопросы определения формы, прочности, устойчивости конструкции и т.п.

Технология изготовления имитатора птицы для испытания изделий конструкционной оптики на птицестойкость
Разработан имитатор птицы для испытаний изделий конструкционной оптики самолетов на птицестойкость. В отличие от существующих аналогов имитатор отвечает санитарно-гигиеническим требованиям, эстетическим нормам, отличается простотой изготовления и не требует особых условий для хранения на протяжении длительного периода времени.

Разработка комплекса математических методов для расчета и оптимального проектирования многослойных дорожных покрытий нежесткого типа
Создана математическая модель многослойного дорожного покрытия, учитывающая деформацию поперечного сдвига и инерцию вращения нормали в каждом слое. Математическая модель позволяет исследовать влияние конструктивных параметров и характеристик основания на напряженно-деформированное состояние покрытий при импульсном нагружении.

Разработка методов для анализа прочности и оптимального проектирования ударостойкого остекления с электрообогревом для высокоскоростных транспортных средств (самолеты, железнодорожные локомотивы, скоростные суда)
Разработаня комплекс методов, ориентированных на оптимальное проектирование ударопрочного остекления высокоскоростных транспортных средств с учетом основных эксплуатационных режимов.

Оптимальное проектирование крышки гидротурбины
Разработана комплексная методика исследования напряженно - деформированного состояния крышек радиально-осевой и поворотно-лопастной гидротурбины, определение их вибрационных характеристик с учетом влияния среды, а также оптимальное проектирование крышек с уменьшенным весом и повышенной прочностью.