№ 11 Відділ нелінійної механіки та математичного моделювання

1. Нелінійна динаміка конструкцій і машин. Нелінійна динаміка тонкостінних конструкцій. Теорія стійкості і біфуркацій нелінійних коливань.
2. Динаміка і міцність елементів ракетоносіїв і військових ракет. Акустика і аеродинаміка ракетоносіїв. Аеропружні елементи ракетоносіїв.
3. Мезомеханіка наноконструкцій.
4. Динамічна міцність вузлів і агрегатів бронетанкової техніки.
5. Динаміка і міцність турбомашин.
6. Нелінійна динаміка конструкцій з пошкодженнями.
7. Коливання механічних систем при їх взаємодії з електромагнітними полями.
8. Динамічна міцність конструкцій, отриманих адитивними технологіями.
9. Експериментальний аналіз динамічної міцності елементів машин. Втомні випробування вузлів машин.
10. Математичне та комп’ютерне моделювання оптимізації розміщення геометричних 2D&3D об’єктів довільної просторової форми.
11. Розробка методів локальної та глобальної оптимізації, орієнтованих на розв’язання задач упаковки, розкрою, компоновки та покриття із застосуванням сучасних NLP-solvers та паралельних обчислень.
12. Розвиток конструктивних засобів теорії R-функцій для розв’язання оберненої задачі аналітичної геометрії.
13. Розвиток математичного апарату методу R-функцій для побудови пучків функцій (структур рішень), що точно задовольняють крайовим умовам.
14. Автоматизація завдання геометричної інформації та процесу вирішення крайових задач математичної фізики методом R-функцій.

Напрями наукових досліджень відділу відповідають пріоритетним напрямам розвитку науки і техніки, що визначені Законом України «Про пріоритетні напрями розвитку науки і техніки», а саме:

1 – національна безпека і оборона;

2 – фундаментальні наукові дослідження з найбільш важливих проблем розвитку науково-технічного, соціально-економічного, суспільно-політичного, людського потенціалу для забезпечення конкурентоспроможності України у світі та сталого розвитку суспільства і держави;

7 – нові речовини і матеріали.

Наукові дослідження відділу відповідають пріоритетним тематичним напрямам наукових досліджень і науково-технічних розробок, а саме:

– дослідження новітніх проблем механіки суцільного середовища і механіки машин;
– фундаментальні проблеми розвитку технологій в авіаційній та ракетно-космічній галузі;
– фундаментальні проблеми фізики, астрофізики, матеріалознавства, атомної енергетики та радіаційної безпеки.

Відділ було створено у 1972 році, одночасно із заснуванням Інституту проблем машинобудування АН УРСР (ІПМаш). Першим керівником відділу нестаціонарних механічних процесів став видатний учений-механік, академік АН УРСР Анатолій Петрович Філіппов – один із фундаторів харківської наукової школи механіки коливань та динаміки механічних систем. Наукові дослідження А. П. Філіппова були зосереджені на теорії коливань механічних систем, нестаціонарних процесах, динаміці та міцності деформівних конструкцій. Розвиток цих досліджень сприяв формуванню в ІПМаш потужної наукової школи, в межах якої надалі розвивалися теорія коливань, динамічна міцність, надійність та математичне моделювання механічних систем. У цей період в Інституті працювали видатні вчені, наукові здобутки яких визначили подальший розвиток досліджень у галузі динаміки, міцності та надійності машинобудівних конструкцій, зокрема професор Юрій Сергійович Воробйов та член-кореспондент НАН України Олександр Євгенович Божко. Паралельно в ІПМаш сформувався потужний напрям динамічних випробувань, віброзахисту та надійності енергетичних машин, розвиток якого пов’язаний із О. Є. Божком. Він очолював відділ надійності та динамічної міцності. Було розроблено основи прогнозування втомного ресурсу машин, теорію відтворення детермінованих і стохастичних вібрацій під час випробувань, теорію просторового віброзбудження та активного віброзахисту об’єктів, а також методи прискореної оцінки довговічності машин і конструкцій та вібраційної діагностики. Таким чином, упродовж наступних десятиліть в ІПМаш сформувалася потужна наукова школа, в якій теорія коливань і нестаціонарних процесів, динамічна міцність, надійність, вібродіагностика та математичне моделювання розвивалися як взаємопов’язані напрями.

На сучасному етапі цей науковий напрям отримав подальший розвиток у роботах члена-кореспондента НАН України Костянтина Віталійовича Аврамова, який з 2005 року працює в ІПМаш та очолює науковий напрям нелінійної механіки й математичного моделювання. На теперішній час розроблено комплекс теоретичних, чисельних та експериментально-чисельних методів дослідження нелінійної динаміки, коливань і динамічної стійкості машинобудівних конструкцій. Розвинено методи аналізу нелінійних нормальних форм коливань, біфуркаційних процесів, динамічного хаосу, автоколивань та нелінійного гасіння коливань. Значна увага приділяється дослідженню нелінійної динаміки тонкостінних конструкцій, оболонок, роторних систем, елементів ракетно-космічної техніки, а також взаємодії конструкцій із газовими та рідинними середовищами. Наукові розробки відділу впроваджено в практику підприємств енергомашинобудування, двигунобудування, авіаційної та ракетно-космічної промисловості.

У складі відділу функціонує наукова група під керівництвом члена-кореспондента НАН України Стояна Юрія Григоровича, яка продовжує розвиток наукового напряму оптимізаційного геометричного проєктування. Член-кореспондент НАН України Юрій Григорович Стоян – один із засновників та провідних фахівців наукової школи з оптимізаційного геометричного проєктування. Наприкінці 1960-х років під його керівництвом було започатковано дослідження функцій щільного розміщення геометричних об’єктів, а подальший розвиток цього напряму привів до створення математичного апарату Ф-функцій, що забезпечив аналітичний опис умов розміщення довільних дво- та тривимірних об’єктів. Під його керівництвом розроблено математичні моделі, методи та комп’ютерні засоби розв’язання задач оптимального розміщення, розкрою, упаковки, компонування та покриття з урахуванням технологічних обмежень. Розроблено та розвинуто конструктивні засоби математичного моделювання – φ-функції, квазі-φ-функції, псевдонормалізовані φ- та квазі-φ-функції, γ-функції, а також методи локальної та глобальної оптимізації.

На теперішній час дослідники під керівництвом Ю. Г. Стояна продовжують розвиток методів оптимізаційного геометричного проєктування, спрямованих на оптимізацію форми, параметрів, взаємного розміщення та упаковки геометричних об’єктів. Результати досліджень застосовуються для розв’язання сучасних задач машинобудування, матеріалознавства, нанотехнологій та енергетики, забезпечуючи раціональне використання матеріальних і просторових ресурсів та підвищення ефективності технічних систем.

Методологія розроблення легких тонкостінних композитних сендвіч-конструкцій з підвищеними характеристиками міцності із виготовленими адитивними технологіями стільниковими заповнювачами та наукові основи їх використання для елементів аерокосмічної техніки

1. Запропоновано проривний підхід до виготовлення композитних сендвіч-конструкцій зі стільниковими заповнювачами, отриманими за адитивною технологією.
2. Вперше в світі запропоновано новаторську методологію втомних випробувань і визначення міцнісних властивостей сендвіч-конструкцій із виготовленими адитивними технологіями стільниковими заповнювачами.
3. Запропоновано новаторську нелінійну модель деформування тонких сендвіч-конструкцій.

Головною метою проведених досліджень є розробка ефективних методологічних підходів до створення легких тонкостінних композитних сендвіч-конструкцій із підвищеними характеристиками міцності, виготовлених з використанням адитивних технологій, що відкриває перспективи їх широкого застосування в аерокосмічній техніці, транспортній промисловості та інших галузях.

До теперішнього часу всі тонкостінні композитні багатошарові конструкції, з яких виготовляються елементи ракет, літальних апаратів та багатьох інших технічних об’єктів, виготовлялися за так званими технологіями віднімання. До технологій віднімання належать усі технології, за винятком 3D-друку. Запропоновано використовувати 3D-друк для виготовлення корпусних елементів аерокосмічної техніки та інших технічних об’єктів. Виготовлені за допомогою 3D-друку тонкостінні багатошарові конструкції мають багато переваг, зокрема  міцнісні та динамічні характеристики таких конструкцій дуже високі, що доведено експериментальними дослідженнями, які ІЕМС НАН України проводив спільно з ДП «КБ «Південне». За проведеними дослідженнями отримані такі результати:

1. Запропоновано проривний підхід до виготовлення композитних сендвіч-конструкцій зі стільниковими заповнювачами, отриманими за адитивною технологією.
2. Вперше в світі запропоновано новаторську методологію втомних випробувань і визначення міцнісних властивостей сендвіч-конструкцій із виготовленими адитивними технологіями стільниковими заповнювачами.
3. Запропоновано новаторську нелінійну модель деформування тонких сендвіч-конструкцій.

Дослідження виконано за фінансової підтримки Національного фонду досліджень України за проєктом «Оптимізація топології та підвищення міцнісних характеристик багатошарових оболонок і твердих тіл при використанні адитивних технологій» (ДР № 0120U104923), за проєктом «Використання тонкостінних композитних сендвіч-конструкцій із виготовленими адитивними технологіями стільниковими заповнювачами для підвищення динамічної міцності та зменшення питомої ваги ракет і безпілотних літальних апаратів» (ДР № 0124U003951) та за фінансової підтримки Комітету НАТО з питань партнерства та колективної безпеки за проєктом SРS G6176 «Композитні метаматеріали для аерокосмічних конструкцій – «КоМетА» в рамках Програми «Наука заради миру та безпеки».

Дослідження проведені у відділі нелінійної механіки та математичного моделювання під керівництвом члена-кореспондента НАН України К. В. Аврамова в період з 2020 по 2024 рр. Основні наукові результати було отримано працівниками відділу: чл.-к. К. В. Аврамовим, д.т.н. М.В. Чернобривко, к.т.н. Б. В. Успенським. Також у досліджені приймав участь заступник директора з наукової роботи д.т.н. К. В. Максименко-Шейко (3D друк стільникових заповнювачів і зразків композитних матеріалів). Експериментальні дослідження з визначення анізотропних властивостей композитних матеріалів сендвіч-пластин і стільникових заповнювачів проводилися у співпраці зі спеціалістами ДП «КБ «Південне» під керівництвом к.т.н. І. І. Деревянко.

Інститут надав всю необхідну наукову інфраструктуру для проведення цих досліджень, яка включає розрахункові потужності і відповідне програмне забезпечення, а також обладнання для виготовлення зразків та проведення експериментальних досліджень.

Отримано низку проривних та новаторських результатів міжнародного рівня, спрямованих на підвищення обороноздатності країни та конкурентоспроможності виробів аерокосмічної галузі на світовому ринку. Запропоновано проривний підхід до виготовлення корпусних елементів ракет та безпілотних літальних апаратів з тонкостінних композитних сендвіч-пластин і сендвіч-оболонок, середній шар яких представляє собою стільниковий заповнювач, виготовлений шляхом 3D друку. Виготовлені за допомогою адитивних технологій сендвіч-конструкції мають багато переваг у порівнянні з металевими аналогами, зокрема, технологічний процес їх виготовлення простіший, а собівартість готової конструкції – дешевша. Такі конструкції можна застосовувати як корпусні елементи в різних галузях промисловості, зокрема в аерокосмічній техніці та транспортному машинобудуванні. Проведені розрахункові та експериментальні дослідження довели, що при правильному виборі геометричних параметрів і типу стільникового заповнювача, міцнісні та динамічні характеристики таких конструкцій дуже високі. При цьому вага готового виробу значно менша за металеві чи композитні одношарові аналоги. Результати, що отримані у 2020–2024 рр., безпосередньо впливають на забезпечення національної безпеки, розвиток наукоємних технологій та екологію. Основними бенефіціарами є ДП «КБ «Південне» та ДП «Антонов».

Вплив отриманих наукових результатів:
1. Проривний підхід до виготовлення тонкостінних композитних сендвіч-конструкцій був застосований для розробки корпусних елементів ракет і безпілотних літальних апаратів. За рахунок цього значно знижено їх масу при збереженні загальної міцності, що дозволить підвищити корисне навантаження літальних апаратів. Застосування адитивних технологій та використання полілактидних матеріалів для виготовлення середнього шару стільникового заповнювача здешевлює готовий виріб. Також застосування 3D друку для корпусних елементів безпілотних літальних апаратів, ракет, літаків та інших транспортних систем дозволяє точно отримувати задану геометрію будь-якої складності, що сприяє покращенню характеристик готових виробів та підвищенню ефективності їх роботи. Зміцнення конструкції відбувається за рахунок зовнішніх шарів, що виготовлені з високоміцного композитного матеріалу. Тришарова конструкція може бути реалізована з будь яким вуглепластиком чи склопластиком. Таким чином, запропонована технологія не потребує унікального обладнання і може бути швидко реалізована за наявності 3D принтера, що важливо в умовах воєнного стану.
2. Новаторська методологія експериментальних досліджень стільникових заповнювачів, отриманих за допомогою адитивних технологій, застосована для заповнювачів з різною формою геометричних параметрів комірки. Проведені експериментальні дослідження стільникових заповнювачів на розтягнення та зсув дозволили отримати їх механічні властивості, необхідні для числового моделювання. Вперше в світі проведений порівняльний аналіз механічних властивостей композитних стільникових заповнювачів з різною геометрією комірки, отриманих із застосуванням адитивних технологій. Визначені механічні характеристики застосовано для варіативних числових досліджень міцності та стійкості сендвіч-конструкцій задля отримання оптимальних параметрів готових виробів. Результати експериментальних досліджень сендвіч-пластин на втому та коливання дозволили розробити методики та програмне забезпечення для числового моделювання сендвіч-пластин і сендвіч-оболонок різної кривизни. Верифікація отриманих показала хорошу відповідність між розрахунковими і експериментальними значеннями. Отримані комплексні результати дозволяють суттєво скоротити кількість експериментів за рахунок числових досліджень на етапі розробки технічної документації нових виробів аерокосмічної техніки.
3. Вперше в світі побудовано математичну модель динамічного геометрично нелінійного деформування сендвіч-оболонок з використанням модифікованої зсувної теорії високого порядку. Геометрично нелінійне деформування оболонок описувалося узагальненою теорією Сандерса-Койтера. Для розв’язання задачі запропоновано застосувати метод заданих форм, що дозволило отримати систему звичайних диференціальних рівнянь для опису коливань оболонок. Запропонований новаторський підхід дозволив провести теоретичні дослідження флатеру конічної замкнутої сендвіч-оболонки в надзвуковому газовому потоці, вимушених коливань сендвіч-оболонок подвійної кривизни та коливань циліндричних оболонок з нанокомпозитними лицьовими шарами. Урахування нелінійних ефектів дозволило виявити особливості, що пов’язані з процесом коливань сендвіч-конструкцій із виготовленим за адитивною технологією стільниковим заповнювачем. Вперше досліджено втрату стійкості та біфуркації таких нелінійних коливань, проведено аналіз усталених хаотичних коливань. Результати цих досліджень сприяли розумінню процесів, що відбуваються під час експлуатації у корпусних елементах ракет і безпілотних літальних апаратів, виготовлених із сендвіч-матеріалів. Запропоновані математичні моделі та методи їх дослідження дозволяють оптимізувати масу при збереженні необхідної міцності готового виробу за рахунок правильного вибору товщини шарів сендвіч-конструкції та типу стільникового заповнювача.

 

1. ІІ-1-18 «Розробка теоретичних основ проектування тонкостінних елементів ракет-носіїв із високоміцних нанокомпозитних матеріалів».

Замовник: НАН України (Цільова комплексна програма НАН України з наукових космічних досліджень на 2018-2022 рр.).

Термін виконання: 2018–2022 рр.

Науковий керівник: К. В. Аврамов.

Результат виконання НДР: Розроблено наукову теорію. Побудовано математичні моделі нелінійних коливань таких конструкцій при їх взаємодії з надзвуковим газовим потоком. Проведено дослідження можливості застосування такого матеріалу для виготовлення ракет-носіїв.

Форма визнання результатів: Опубліковано 9 наукових статей в зарубіжних виданнях. Опубліковано 4 наукові статті у вітчизняних виданнях. Опубліковано доповіді, зроблені на трьох  міжнародних науково-технічних конференціях. Звіт про НДР схвалено на засіданні вченої ради установи.

Наслідки: Результати НДР можуть бути запропоновані для впровадження в практику проєктування тонкостінних елементів ракет-носіїв із високоміцних нанокомпозитних матеріалів.

 

2. ІІІ-72-17 “Розробка математичних моделей та комп’ютерних технологій розв’язання оптимізаційних задач компоновки тривимірних об’єктів”.

Замовник: НАН України.

Термін виконання: 2017-2021 рр.

Науковий керівник: член-кореспондент НАН України Ю. Г. Стоян.

Результат виконання НДР: Розроблено наукову теорію. Розроблено методи досягнення наукових результатів, спрямованих на розвиток подальших досліджень. Побудовано математичні моделі та розроблено методи розв’язання задач компонування прямих  кругових  циліндрів,  сфероциліндрів,  куль,  прямих прямокутних паралелепіпедів,  дисків  у  контейнерах,  що  мають  форму паралелепіпеда,  циліндра  або  кулі,  з  урахуванням  технологічних  обмежень (допустимі відстані, зони заборони) за довільної орієнтації об’єктів.  Побудовано математичні моделі та розроблено методи розв’язання задач компонування куль, прямих кругових циліндрів, торів, сфероциліндрів, прямих прямокутних  паралелепіпедів,  прямих  правильних  призм  у контейнерах,  які мають просторову форму прямого кругового циліндра, параболоїда обертання або  прямого усіченого кругового конусу з  урахуванням  обмежень  поведінки (обмеження  рівноваги,  моментів  інерції,  стійкості)  та  обмежень  розміщення (допустимі  відстані,  наявність  стелажів  в  контейнері)  за довільної орієнтації об’єктів.

Форма визнання результатів: Видано 6 колективних монографій. Опубліковано 66 наукових статей в зарубіжних виданнях. Опубліковано 38 наукових статей у вітчизняних виданнях. Опубліковано 30 доповідей, зроблених на  міжнародних науково-технічних конференціях. Звіт про НДР схвалено на засіданні вченої ради установи.

Наслідки: Створені комп’ютерні технології, які дають змогу суттєво скоротити час та підвищити якість проведення багатоваріантних обчислювальних експериментів для задач компонування тривимірних об’єктів. Запропоновані комп’ютерні технології можуть бути використані для пошуку розв’язків задач компонування тривимірних об’єктів, які виникають у аерокосмічній галузі, адитивних технологіях, матеріалознавстві, нанотехноло-гіях, ядерній енергетиці.

 

3. ІІ-102-17 «Розробка математичних моделей та методів аналізу нелінійних крутильних коливань вузлів дизельних двигунів бронетанкової техніки».

Замовник: НАН України.

Термін виконання: 2017-2018 рр.

Науковий керівник: Б. В. Успенський.

Результат виконання НДР: Розроблено методи досягнення наукових результатів, спрямованих на розвиток подальших досліджень. Розроблено методи аналізу вільних та вимушених крутильних коливань силових передач дизельних двигунів. Розроблено метод аналізу параметричної чутливості частоти вільних крутильних коливань силової передачі до її пружних параметрів.

Форма визнання результатів: Звіт про НДР схвалено на засіданні вченої ради установи. Опубліковано 3 наукові статті у вітчизняних виданнях.

Наслідки: Підвищення надійності та ефективності двигунів серії 6ТД по параметрам силової передачі для підприємств двигунобудування України.

 

4. ІІІ-64-15 «Оцінка надійності енергетичного обладнання при втомному пошкодженні його елементів».

Замовник: НАН України.

Термін виконання: 2015-2019 рр.

Науковий керівник: К. В. Аврамов.

Результат виконання НДР: Розроблено методи досягнення наукових результатів, спрямованих на розвиток подальших досліджень. Розроблено нові методи дослідження коливань елементів енергетичного обладнання з тріщинами. Розроблено моделі нелінійних коливань оболонкових і стержневих конструкцій при геометрично нелінійному деформуванні з урахуванням поперечних дихаючих тріщин.

Форма визнання результатів: Звіт про НДР схвалено на засіданні вченої ради установи. Опубліковано 18 наукових статей, з них 7 в зарубіжних виданнях.

Наслідки: Забезпечення більшої вірогідності безаварійної роботи конструкцій на етапі системного проєктування енергетичного обладнання.

 

5. ІІІ-75-17 «Динамічна міцність елементів аерокосмічної та бронетанкової техніки під дією механічних навантажень».

Замовник: НАН України.

Термін виконання: 2017-2019 рр.

Науковий керівник: К. В. Аврамов.

Результат виконання НДР: Розроблено методи досягнення наукових результатів, спрямованих на розвиток подальших досліджень. Розроблено методики розрахунку акустичних навантажень, що діють на обтічник ракетоносія при старті і в польоті. Розроблено модель крутильних коливань силової передачі дизельного електрогенератора.

Форма визнання результатів: Звіт про НДР схвалено на засіданні вченої ради установи. Опубліковано 16 наукових статей, з них 8 в зарубіжних виданнях.

Наслідки: Проєктування елементів техніки з поліпшеними міцнісними властивостями для підприємств  військової промисловості та підприємства ракетобудування  України.

 

6. ІІ-13-19 «Збільшення ресурсних показників парових турбін великої потужності за рахунок покращення умов прогріву на режимах пуску та зниження рівня вібрацій».

Замовник: НАН України.

Термін виконання: 2019-2020 рр.

Науковий керівник: Б. В. Успенський.

Результат виконання НДР: Розроблено методи досягнення наукових результатів , спрямованих на розвиток подальших досліджень. Розроблено методологічні підходи до розрахунку нестаціонарного теплового та термонапруженого стану елементів парових турбін; методологічні підходи до аналізу коливань ротору турбіни на еліптичних підшипниках ковзання.

Форма визнання результатів: Звіт про НДР схвалено на засіданні вченої ради установи. Опубліковано 8 наукових статей у вітчизняних виданнях.

Наслідки: Можливість уточнення визначення коефіцієнтів тепловіддачі на  поверхнях ущільнень ступінчатого типу та визначення коефіцієнтів тепловіддачі при плівковій конденсації пари на поверхнях елементів циліндра високого тиску. Рекомендації щодо зниження напружень та збільшення ресурсу ротора високого тиску турбіни К325-32,5.

 

7. ІІІ-67-16 «Аналіз та поліпшення динамічних міцнісних властивостей елементів перспективних енергетичних машин та ракетно-космічної техніки під дією навантажень різної фізичної природи».

Замовник: НАН України.

Термін виконання: 2016-2020 рр.

Науковий керівник: М. В. Чернобривко.

Результат виконання НДР: Розроблено наукову теорію. Розроблено методи досягнення наукових результатів, спрямованих на розвиток подальших досліджень. Розроблено математичні моделі чисельних досліджень динамічної міцності елементів сучасних енергетичних машин та ракетно-космічної техніки з урахуванням технологічних особливостей їх виготовлення та умов експлуатації. Розроблено узагальнені методики аналізу динамічних міцнісних властивостей елементів перспективних енергетичних машин та ракетно-космічної техніки під дією температурних, газодинамічних, вібраційних та імпульсних навантажень.

Форма визнання результатів: Звіт про НДР схвалено на засіданні вченої ради установи. Опубліковано 23 наукових статей, з них 11 в зарубіжних виданнях.

Наслідки: Урахування геометричної та фізичної нелінійності для більш точного моделювання напружено-деформованого стану та процесів коливань в конструкціях при експлуатаційних навантаженнях.

 

8. ІІ-89-16 «Розробка засобів зниження вібраційної напруженості робочих лопаток з титанового сплаву з ерозійними пошкодженнями для подовження ресурсу турбін на 3000 об/хв енергоблоків ВВЕР-1000».

Замовник: НАН України.

Термін виконання: 2016-2020 рр.

Науковий керівник: Ю. С. Воробйов, М. В. Чернобривко.

Результат виконання НДР: Розроблено методи досягнення наукових результатів, спрямованих на розвиток подальших досліджень. Наведено аналіз досвіду конкретного технічного стану лопаток при поточному та капітальному ремонтах на АЕС України. Показано можливості зниження коефіцієнтів концентрації вібраційних напружень при різних засобах відновлювального ремонту. Виконано чисельні дослідження впливу відновлювального ремонту в зонах пошкоджень для окремих лопаток та робочих коліс. Розроблено заходи по визначенню ресурсу безпечної експлуатації лопаток в умовах вологої парової ерозії з метою подовження їх експлуатації.

Форма визнання результатів: Звіт про НДР схвалено на засіданні вченої ради установи. Опубліковано 10 наукових статей.

Наслідки: Запобігання небезпечних режимів роботи лопаток турбін К-1000-60/3000 з пошкодженнями для підприємств енергетичного машинобудування.

 

9. ІІ-90-16 «Спеціалізовані пристрої неруйнівного контролю для оцінки технічного стану по параметрах коливань обертових та необертових частин механізмів».

Замовник: НАН України.

Термін виконання: 2016-2020 рр.

Науковий керівник: К. В. Аврамов.

Результат виконання НДР: Розроблено методи досягнення наукових результатів, спрямованих на розвиток подальших досліджень.  Розроблено рекомендації щодо вибору оптимальних характеристик чутливості до тріщини залежно від параметрів первинного перетворювача пристрою для виявлення тріщин в нарізних елементах енергетичного обладнання вихорострумовим методом.

Форма визнання результатів: Звіт про НДР схвалено на засіданні вченої ради установи. Опубліковано 10 наукових статей.

Наслідки: Забезпечення виявлення тріщин в різі різної глибини та теплових канавках роторів турбоагрегатів.

 

10. ІІ-26-23 «Підвищення міцності елементів аерокосмічної техніки шляхом використання композитних конструкцій із стільниковими заповнювачами, виготовленими за адитивними технологіями».

Замовник: НАН України.

Термін виконання: 2023 р.

Науковий керівник: К. В. Аврамов.

Результат виконання НДР: Розроблено наукову теорію. Розроблено методи досягнення наукових результатів, спрямованих на розвиток подальших досліджень.  Розроблено математичну модель нелінійних коливань сендвіч-оболонок із стільниковим заповнювачем, надрукованим адитивними технологіями FDM. Розроблено метод чисельного аналізу вимушених нелінійних коливань сендвіч-оболонок подвійної кривизни з урахуванням геометрично нелінійного деформування з визначенням точок біфуркації.

Форма визнання результатів: Звіт про НДР схвалено на засіданні вченої ради установи. Опубліковано 4 наукові статті.

Наслідки: Підвищення конкурентоспроможності вітчизняної аерокосмічної техніки за рахунок визначення особливостей коливань досліджених конструкцій на етапі загального проєктування.

Підготовлено та захищено більше 10 докторських та 30 кандидатських дисертацій.

• Breslavsky I. D., Avramov K. V. (2012) Two modes nonresonance interaction for rectangular plate with geometrical non-linearity// Nonlinear Dynamics. – Vol. 69. – 285-294.
• Avramov K. V., Strel’nikova E. A., Pierre C. (2012) Resonant many-mode periodic and chaotic self-sustained aeroelastic vibrations of cantilever plates with geometrical nonlinearities in incompressible flow// Nonlinear Dynamics. – Vol. 70. № 2. – 1335-1354.
• Kochurov R., Avramov K. V. (2012) On effect of initial imperfections on parametric vibrations of cylindrical shells with geometrical non-linearity// International Journal of Solids and Structures. – Vol. 49. № 3-4. – 537-545.
• Breslavsky I. D., Avramov K. V. (2013) Effect of boundary conditions nonlinearities on free large-amplitude vibrations of rectangular plates// Nonlinear Dynamics. – Vol. 73. № 3. – 567-579.
• Avramov K. V., Mihlin Yu. V. (2013) Review of applications of nonlinear normal modes for vibrating mechanical systems// Applied Mechanics Reviews. – Vol. 65. № 2. – 20 p.
• Avramov K. V., Malyshev S. E. (2018) Periodic, quasi-periodic and chaotic geometrically non-linear forced vibrations of shallow cantilever shell// Acta Mechanica. – Vol. 229. – 1579-1595.
• Avramov K. V., Chernobryvko M. V., Tonkonogenko A. M., Degtyarenko P. G. (2018) Dynamics of solid propellant motor composite casing under impact pressure// Meccanica. – Vol. 53. – 3339-3353.
• Martynenko G., Chernobryvko M., Avramov K., Martynenko V., Tonkonozhenko A., Kozharin V., Klymenko D. (2018) Numerical simulation of missile warhead operation// Advances in Engineering Software. – Vol. 123. – 93-103.
• Avramov K. V. (2018) Nonlinear vibrations characteristics of single-walled carbon nanotubes via nonlocal elasticity// International Journal of Nonlinear Mechanics. – Vol. 117. – 149-160.
• Rusanov A., Martynenko G., Avramov K., Martynenko V. (2018) Detection of Accident Causes on Turbine-Generator Sets by Means of Numerical Simulations// 2018 IEEE 3rd International Conference on Intelligent Energy and Power Systems. Conference Proceedings IEEE. – Kharkov, Ukraine. – 51-55.
• Avramov K., Malyshev S. (2019) Bifurcations and chaotic forced vibrations of cantilever beams with breathing cracks// Engineering Fracture Mechanics. – Vol. 214. – 289-303.
• Avramov K., Kabylbekova B. (2019) Bifurcations behavior and chaotic self-sustained vibrations of cantilevered nanotube conveying fluid// Acta Mechanica. – Vol. 230. – 3235-3258.
• Degtyarev M. A., Shapoval A. V., Gusev V. V., Avramov K. V., Sirenko V. N. (2019) Structural optimization of waffle shell sections in launch vehicles// Strength of Materials. – Vol. 51. № 2. – 223-230.
• Uspensky B., Avramov K., Liubarskyi B., Andrieiev Yu., Nikonov O. (2019) Nonlinear torsional vibrations of electromechanical coupling of diesel engine gear system and electrical generator// Journal of Sound and Vibration. – 114877.
• Avramov K. V., Chernobryvko M., Uspensky B., Seitkazenova K. K., Myrzaliyev D. (2019) Self-sustained vibrations of functionally graded carbon nanotubes reinforced composite cylindrical shell in supersonic flow// Nonlinear Dynamics. – Vol. 98. № 3. – 1853-1876.
• Romanova T., Stoyan Yu., Pankratov A., Litvinchev I., Avramov K., Chernobryvko M., Yanchenvskyi I., Mozgova I., Bennell Ju. (2021) Optimal layout of ellipses and its application for additive manufacturing// International Journal of Production Research. – Vol. 59. № 2. – 560-575.
• Degtyarev M. A., Avramov K. V. (2019) Numerical simulation of the stress-strain state of the rocket pretention module// Strength of Materials. – Vol. 51. № 5. – 707-714.
• Martynenko G., Avramov K., Martynenko V., Chernobryvko M., Tonkonozhenko A., Kozharin V. (2021) Computational modeling of warhead transportation// Defence Technology. – Vol. 17. – 478-494.
• Degtyarev M. A., Avramov K. V., Akimov D., Kostikov A. (2021) Thermo-mechanical stress-strain state of retention compartment// Journal of Aerospace Engineering. – Vol. 34. № 4. – 04021030.
• Uspensky B., Avramov K., Nikonov O., Sakhno N. (2022) Dynamic instability of functionally graded carbon nanotubes-reinforced composite joined conical-cylindrical shell in supersonic flow// International Journal of Structural Stability and Dynamics. – Vol. 22. № 7. – 2250039.
• Avramov K., Uspensky B. (2022) Transient response of functionally graded carbon nanotubes reinforced composite conical shell with ring-stiffness under the action of impact loads// European Journal of Mechanics – A/Solids. – Vol. 91. – 104429.
• Avramov K., Uspensky B. (2022) Nonlinear supersonic flutter of sandwich truncated conical shell with flexible honeycomb core manufactured by fused deposition modeling// International Journal of Non-Linear Mechanics. – Vol. 143. – 104039.
• Uspensky B., Derevianko I., Avramov K., Polishchuk O., Salenko A. (2022) Experimental and numerical study on fatigue of sandwich plates with honeycomb core manufactured by fused deposition modeling// Applied Composite Materials. – Vol. 29. № 5. – 2033-2061.
• Derevianko I., Uspensky B., Avramov K., Salenko A., Maksymenko-Sheiko K. (2023) Experimental and numerical analysis of mechanical characteristics of fused deposition processed honeycomb fabricated from PLA or ULTEM 9085// Journal of Sandwich Structures and Materials. – Vol. 25. – 264-283.
• Avramov K., Uspensky B. (2023) Nonlinear forced vibrations of doubly curved sandwich shells with fused deposition processed flexible honeycomb core// Acta Mechanica. – Vol. 234. – 1183-1210.
• Uspensky B., Avramov K., Derevianko I., Maksymenko-Sheiko K. (2024) Vibrations of cylindrical sandwich shell with fused deposition processed honeycomb core and carbon nanotubes reinforced composite faces sheets// Journal of Vibration Engineering and Technology. – Vol. 12. № 2. – 2003-2023.
• Avramov K., Grebennik I. (2023) Nonlinear modal analysis of multi-walled nanotube oscillations using nonlocal anisotropic elastic shell model// Nonlinear Dynamics.
• Mikhlin Yu. V., Avramov K. (2024) Nonlinear normal modes of vibrating mechanical systems: 10 years of progress// Applied Mechanics Reviews. – Vol. 76. № 5. – 050801.
• Avramov K. (2024) Nonlinear normal modes of multi-walled nanoshells with consideration of surface effect and nonlocal elasticity// International Journal of Nonlinear Mechanics. – Vol. 159. – 104622.
• Zhangabay N., Ibraimova U., Bonopera M., Suleimenov U., Avramov K., Chernobryvko M., Utelbayeva A., Uspenskyi B. (2024) Finite-element modeling of the dynamic behavior of a crack-like defect in an internally pressurized thin-walled steel cylinder// Applied Sciences. – Vol. 14. № 5. – 1790.
• Uspensky B., Derevianko I., Avramov K., Maksymenko-Sheiko K., Chernobryvko M. (2025) Mechanical properties of auxetic honeycombs realized via additive manufacturing: Experimental testing and numerical studies// Applied Composite Materials. – Vol. 32. – 119-148.
• Avramov K., Ebner B., Edelmann J., Mikhlin Yu. V., Uspensky B. (2025) Self-sustained oscillations of a magnetic track brake frame// Nonlinear Dynamics. – Vol. 113. – 11121-11142.
• Malyshev S., Avramov K. (2025) Nonlinear normal modes and bifurcations of geometrically nonlinear vibrations of flexible beams with breathing cracks// Acta Mechanica. – Vol. 236. № 2. – 1317-1337.
• Uspensky B., Avramov K., Salenko A., Nikonov O. (2025) Dynamic instability of composite sandwich joined conical-cylindrical shell interacting with supersonic gas stream// ZAMM.
• Uspensky B., Avramov K., Malyshev S., Nikonov O. (2025) Geometrically nonlinear oscillations of cylindrical composite sandwich shell with honeycomb core under axial time periodic force// International Journal of Nonlinear Mechanics.
• Malyshev S., Avramov K. (2025) Bifurcations and chaotic geometrically nonlinear vibrations of parametrically excited beams with breathing cracks// Archive of Applied Mechanics.
• Avramov K., Uspensky B., Liubarskyi B. (2026) Asymptotic analysis of resonance nonlinear parametric vibrations of composite sandwich doubly curved shell with honeycomb core under the action of axial harmonic excitation// Acta Mechanica.
• Marmolejo-Saucedo J. A., Stoyan Y., Yaskov G., Litvinchev I., Chuhai A., Romanova T., Stoian Y. E. (2026) Packing Approach to Generate Void Structures in Lightweighted Parts for Additive Manufacturing// Mathematics. – Vol. 14. № 777.
• Romanova T., Stoyan Y., Pankratov A., Litvinchev I., Plankovskyy S., Tsegelnyk Y., Shypul O. (2021) Sparsest Balanced Packing of Irregular 3D Objects in a Cylindrical Container// European Journal of Operational Research. – Vol. 291. № 1. – 84-100.
• Pankratov A., Romanova T., Litvinchev I. (2019) Packing ellipses in an optimized convex polygon// Journal of Global Optimization. – Vol. 75. № 2. – 495-522.
• Fischer A., Litvinchev I., Romanova T., Stetsyuk P., Yaskov G. (2023) Quasi-Packing Different Spheres with Ratio Conditions in a Spherical Container// Mathematics. – Vol. 11. № 9. – 2033.
• Fischer A., Litvinchev I., Romanova T., Stetsyuk P., Yaskov G. (2024) Packing spheres with quasi-containment conditions// Journal of Global Optimization. – Vol. 90. № 3. – 671-689.
• Stoyan Y., Romanova T., Kravchenko O. G., Yaskov A., Chuhai D., Veligotskyi D. (2023) Digital Model of Natural Cores Using Geometric Design// Cybernetics and Systems Analysis. – Vol. 59. – 934-942.

Основні сфери досліджень підрозділу:

1. Моделювання нанотрубок і нанокомпозитів.
2. Динамічна міцність конструкцій, отриманих адитивними технологіями.
3. Нелінійні коливання механічних систем, що взаємодіють з електромагніт-ними полями.
4. Динамічна міцність військових літальних апаратів.
5. Створення нових комп’ютерних технологій розв’язання сучасних оптимізаційних задач компоновки тривимірних об’єктів з урахуванням обмежень розміщення (мінімально та максимально допустимі відстані, наявність стелажів в контейнері, зони заборони) та обмежень на поведінку механічної системи (таких як рівновага, моменти інерції, стійкість) при довільній орієнтації об’єктів на основі побудови математичних моделей із застосуванням нових класів неперервних функцій розміщення (phi функцій, квазі-phi-функцій) та розробки ефективних оптимізаційних алгоритмів із застосуванням методів нелінійного програмування, сучасних програм локальної та глобальної оптимізації.

Основною ціллю досліджень відділу є здійснення теоретичних та прикладних досліджень, які направлені на вдосконалення ракетоносіїв та інших літальних апаратів на основі розрахунків їх вібрацій та динамічної міцності, зменшення ваги конструкцій за рахунок використання наноматеріалів та отримання конструкцій за допомогою 3D друку.

Потенціал розвитку галузі досліджень:

Дослідження, що виконуються у відділі, знаходять своє застосування в пріоритетних галузях науки та промисловості.

Подальший розвиток досліджень передбачається за рахунок використання нанотехнологій, 3D друку конструкцій, використання композитних матеріалів для підвищення динамічної міцності та зменшення ваги споруд, машин та літальних апаратів.

Задачі компоновки тривимірних об’єктів виникають в машинобудуванні (при компоновці відсіків літальних апаратів, суден, субмарин тощо, компоновці обладнання, приладів та пристроїв, деталей виробу), в задачах логістики (при упаковці вантажів для транспортування чи зберігання), нанотехнологіях (на етапі моделювання розташування частинок), медицині (при проектуванні променевої терапії). Особливий інтерес до цього класу задач виникає при проєктуванні ракетно-космічної техніки. На початковому етапі проєктування (компоновці) космічного апарата необхідно враховувати ряд обмежень на статичні та динамічні характеристики таки як центр мас, осьові та відцентрові моменти інерції та ін.

Стратегії підрозділу щодо збільшення публікаційної активності та покращення якості публікацій:

Довести рівень публікацій у виданнях, що індексуються провідними наукометричними базами даних Scopus та/або Web of Science, до 90 відсотків.

Стратегія підрозділу щодо підготовки наукових кадрів, підвищення кваліфікації наукових працівників:

Подальший розвиток наукового співробітництва з ЗВО, що дозволить дослідникам здобувати додатковий досвід та використовувати найновіші методології у своїй діяльності.

Для  залучення молодих науковців у відділ планується організація семінарів і конференцій для підвищення рівня кваліфікації наукового персоналу.

Стратегія підрозділу щодо співпраці з ЗВО, міжнародними інституціями та окремими  іноземними дослідниками

Передбачається укладання угод про співпрацю з університетами та дослідницькими центрами для обміну досвідом та ресурсами та активна участь у міжнародних конференціях та проєктах для забезпечення глобальної видимості підрозділу.