Добірка наукової літератури з теми "539.43:621.64"

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.09 – динаміка та міцність машин. – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2019. Дисертаційна робота присвячена розв’язанню актуальної науково-прикладної задачі, яка полягає у розвитку методів комп’ютерного аналізу залишкової міцності та прогнозування надійності елементів конструкцій енергетичного машинобудування, які за час тривалої експлуатації отримали корозійне зношення чи локальні пошкодження. Дослідження здійснені в рамках статистичних методів моделювання, а оцінка характеристик напружено-деформованого стану пошкоджених елементів конструкцій проводилась на основі методу скінчених елементів у тривимірній постановці. Розроблено підхід для теоретичної статистичної оцінки процесів накопичення втоми, який покладено в основу розрахункового методу прогнозу надійності елементів конструкцій, які мають набуті пошкодження корозійної природи на основі статистичної оцінки концентрації напружено-деформованого стану і процесів накопичення втоми. Здійснено комплексні дослідження можливих рівнів концентрації напружень у пошкоджених ділянках конструкцій з урахуванням експлуатаційної варіації навантаження та стохастичного характеру розвитку пошкодження корозійної природи. Виконано практичні розрахункові дослідження надійності елементів конструкцій, які використовуються у транспортуванні енергоносіїв та енергетичному машинобудуванні, що дало можливість розробити рекомендації щодо можливого подовження строку їхньої роботи та можливості відновлення працездатності.
Thesis for granting the Degree of Candidate of Technical sciences in specialty 05.02.09 – Dynamics and Strength of Machines. – National Technical University, "Kharkiv Polytechnical Institute", Kharkiv, 2019. The thesis is devoted to the solution of the actual scientific and applied task, which consists in the development of methods of computer analysis of residual durability and the prediction of reliability of elements of power engineering structures, which have been corrosive wear or local damage during long operation. The studies were performed within the framework of statistical modeling methods, and the evaluation of the characteristics of the deformed state of damaged structural elements was performed on the basis of the finite element method (FEM) in three-dimensional formulation. With the use of conceptual approaches for the theoretical assessment of fatigue accumulation processes within the framework of continual damage mechanics, improved methods for assessing the reliability and prediction of the residual life of damaged sections of structural elements, which, unlike known ones, are allowed to taken into account the statistical prediction of possible corrosion sizes. Complex researches of possible levels of stress concentration in the damaged sections of structures are made taking into account the operational variation of load and the stochastic nature of the development of corrosion damage. A statistical analysis and generalization of the obtained results were conducted. The investigation peculiarities of the stress concentration in the damaged areas of structural elements taking into account the operational load variations and the stochastic nature of the corrosion damage. The estimation of its effect on the residual strength is based on the Monte Carlo statistical simulation, taking into account the operational load and the statistical prediction of the possible variation in the size of the corrosion defects. An approach for theoretical statistical estimation of processes of fatigue accumulation is developed, which is the basis of the calculated method of predicting the reliability of structural elements, which will be determined by the simultaneous course of processes of fatigue accumulation and the development of corrosion defect. A set of practical calculation studies aimed at assessing the reliability of structural elements used in energy transportation and power engineering has been carried out and recommendations have been developed on the basis of the conducted research on the possible extension of their life and the possibility of restoration of efficiency. The parameters of damage and the number of cycles to failure of the elbow of the pipeline with a three-dimensional surface defect of mean size were determined taking into account the operational variation of load. The influence of composite bandage on the mean-sized pipeline resource is investigated. Calculations were made to determine the rational dimensions of the composite bandage for the curved portion of the mean-sized defect pipeline. The value of the internal pressure at which the equivalent stresses reach the strength limits in the pipeline with a bandage of different thickness is determined. The residual strength of the pump used in power engineering has been evaluated, taking into account the reduction of the wall thickness of the body parts from erosion-corrosion wear.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.09 – динаміка та міцність машин (13 – механічна інженерія). – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Міністерство освіти та науки Харків, 2019. Актуальність. Машинобудівні конструкції, що застосовуються в енергетиці, працюють в умовах інтенсивних циклічних навантажень та дії агресивних зовнішніх або робочих середовищ. Тривала експлуатація конструкцій у таких умовах призводить до корозійного зношення або формування об’ємних дефектів на робочих поверхнях, стоншення стінок корпусних деталей тощо. Це призводить до появи зон додаткової набутої локалізації напружено-деформованого стану (НДС) у елементах конструкцій, що здатні суттєво відрізнятись від проектних значень, та разом із циклічним характером навантаження призводить до інтенсивного накопичення втоми матеріалу і викликає відмову. Несвоєчасне їх виявлення може стати причиною виникнення аварійних ситуацій, екологічних катастроф, завдати суттєвих споживчих збитків. Прогнозування показників надійності елементів таких конструкцій є актуальною проблемою, вирішення якої дає можливість попередити їх раптові відмови, спланувати ремонтні роботи, оцінити експлуатаційні ризики тощо. Метою дослідження є розробка розрахункових підходів до прогнозування надійності та оцінки залишкового ресурсу елементів конструкцій, що використовуються в транспортуванні енергоносіїв та в енергетичному машинобудуванні, та які мають набуті пошкодження корозійної природи на основі статистичної оцінки концентрації напружено-деформованого стану і процесів накопичення втоми. При розв’язанні сформульованих на основі вказаної мети завдань було удосконалено підхід до оцінки надійності елементів конструкцій, які використовуються в транспортуванні енергоносіїв та енергетичному машинобудуванні з корозійно пошкодженими ділянками, які дозволяють спрогнозувати можливий розвиток корозійних пошкоджень процеси накопичення втоми, що мають наступну наукову новизну: Отримані нові закономірності, щодо впливу об’ємних дефектів корозійної природи на концентрацію напружень в елементах конструкцій, які використовуються при транспортуванні енергоносіїв та в енергетичному машинобудуванні за різних параметрів цих дефектів на криволінійних ділянках конструкцій; 1. Вперше отримані статистичні оцінки щодо можливої варіації концентрації напружень в елементах конструкцій, які використовуються при транспортуванні енергоносіїв та в енергетичному машинобудуванні в умовах прогнозу можливого стохастичного розвитку корозії у часі та з урахуванням експлуатаційної варіації циклічного навантаження. 2. Знайшли подальший розвиток статистичні моделі та методи оцінки процесу розвитку пошкоджуваності при багато- та мало-цикловій втомі, що на відміну від існуючих моделей враховують випадкову зміну параметрів НДС в часі, яка викликана формуванням концентрації напружень навколо об’ємних поверхневих дефектів. 3. Вперше встановлено закономірності впливу наявності корозійних дефектів різного ступеня розвитку на прогноз надійності залишкового ресурсу елементів конструкційна основі удосконалених статистичних моделей оцінки процесу накопичення втомних пошкоджень. З використанням розробленого підходу до прогнозування надійності елементів конструкцій були вирішені наступні практичні задачі: 1. Визначено параметри пошкоджуваності та кількість циклів до відмови коліна трубопроводу з тривимірним поверхневим дефектом середніх розмірів з урахуванням експлуатаційної варіації навантаження, які мають значення в межах від 1 до 50 циклів (до 1,5 років) при максимально можливому навантажені та від 70 до 470 циклів (від 2 до 10 років) при мінімальному навантажені у трубопроводі з дефектом середніх розмірів, А у випадку дефекту, що стохастично розвивається кількість циклів до відмови складає від 42 до 700 (від 14 місяців до 20 років) при максимально можливому навантаженні. 2. Досліджено вплив композиційного бандажу на ресурс трубопроводу з дефектом середніх розмірів. Проведені розрахунки для визначення раціональних розмірів композиційного бандажу для криволінійної частини трубопроводу з дефектом із середніми розмірами. Визначено значення внутрішнього тиску, при якому еквівалентні напруження досягають границі міцності у трубопроводі з бандажем різної товщини (від 25 мм до 175 мм). Встановлено, що при наявності бандажу 75 мм при глибині дефекту менше ніж 40 % від товщини трубопроводу еквівалентні напруження зменшуються на 10 % та при максимально можливому навантаженні не виникають пластичні деформації. У випадку глибини дефекту більше ніж 40 % від товщини трубопроводу у трубопроводі еквівалентні напруження зменшуються від 25% до 50% при різних розмірах дефекту відповідно та дорівнюють границі плинності Кількість циклів до відмови при використанні композиційного бандажу збільшилась у 100 разів, що робить можливою подальшу експлуатацію трубопроводу. 3. Проведено оцінку залишкової міцності насоса, який використовується в енергетичному машинобудуванні з урахуванням зменшення товщини стінок корпусних деталей від ерозійно-корозійного зносу. Визначено НДС конструкції при стоншенні стінок корпусу від 10% до 30%, яке можливо при тривалій експлуатації. Отримані значення кількості циклів до відмови при урахуванні накопичення втомних пошкоджень та впливу експлуатаційного зносу конструкції. Об’єктом дослідження є процеси накопичення нелокалізованої втомної пошкоджуваності, а також вплив наявності та розвитку у часі локалізованих корозійних дефектів на міцність та надійність елементів конструкцій, які використовуються при транспортуванні енергоносіїв та в енергетичному машинобудуванні. Предмет дослідження – показники надійності, а також ймовірнісні характеристики параметрів НДС та втомної пошкоджуваності, які накопичуються в елементах конструкцій, що досліджуються, з урахуванням наявності та прогнозу стохастичного розвитку корозійних дефектів в них. Основна частина дисертації включає Вступ, Розділ 1 – "Аналіз сучасних підходів до вирішення задач надійності елементів конструкцій з набутими пошкодженнями", Розділ 2 – "Теоретичні основи моделювання елементів конструкцій з дефектами корозійного типу", Розділ 3 – "Імовірнісне оцінювання міцності та надійності трубопроводів із корозійними дефектами та прогноз їх залишкового ресурсу", Розділ 4 – "Аналіз можливості підвищення надійності конструкції шляхом використання композитних ремонтних накладок", Розділ 5 – "Оцінка залишкового ресурсу корпусних елементів насосів енергетичної системи" та Висновки, а також містить 72 рисунки та 18 таблиць. У Вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано її мету і задачі, визначено об’єкт, предмет і методи дослідження, наукову новизну та практичну значущість роботи. У Розділі 1 представлено аналіз робіт, які спрямовані на прогнозування надійності елементів конструкцій у машинобудуванні, здійснено аналіз науково-технічної літератури щодо дослідження корозійно пошкоджених елементів конструкцій, що використовуються в транспортуванні енергоносіїв та в енергетичному машинобудуванні. Виділено основні методи для визначення залишкового ресурсу конструкцій, які використовуються в транспортуванні енергоносіїв та енергетичному машинобудуванні та мають набуті в експлуатації дефекти. Проаналізовано підходи до оцінки накопичення втомної пошкоджуваності. У Розділі 2 представлено теоретичні основи розв’язання задачі статистичної оцінки елементів конструкцій із пошкодженнями, зокрема, оцінка прогнозованих габаритних розмірів дефектів при статистичному моделюванні та визначено методологію дослідження. Наведено вирішення задачі пружно-пластичного деформування з кінематичним зміцненням при кусково-лінійній діаграмі деформування. Визначено залежності кінетики росту розмірів корозійного дефекту у трьох напрямах у часі, а також, що його габаритні розміри у фіксований момент часу, випадкові та підпорядковуються лог-нормальному закону розподілення. В рамках континуальної механіки пошкоджуваності удосконалені методи оцінки надійності та прогнозу залишкового ресурсу пошкоджених ділянок елементів конструкцій. У Розділі 3 розроблено параметричні математичні моделі визначення напружено-деформованого стану криволінійної частини трубопроводу за наявності тривимірного поверхневого дефекту корозійного характеру. Здійснено дослідження особливостей формування концентрації напружень в пошкоджених ділянках елементів конструкцій із урахуванням експлуатаційної варіації навантаження та стохастичного характеру розвитку корозійного пошкодження. З використанням розробленого підходу до прогнозування надійності елементів конструкцій визначено параметри пошкоджуваності та кількість циклів до відмови коліна трубопроводу з тривимірним поверхневим дефектом, що розвивається у часі із урахуванням експлуатаційної варіації навантаження. У Розділі 4 досліджено вплив композиційного бандажу на ресурс трубопроводу з дефектом. Для визначення раціональних розмірів композиційного бандажу проведено розрахунки криволінійної частини трубопроводу з дефектом з розмірами, які були отримані під час діагностики трубопроводу, що знаходиться в експлуатації. Здійснені розрахунки для визначення раціональних розмірів композиційного бандажу для криволінійної частини трубопроводу з дефектом із середніми розмірами. Відповідно до розробленої математичної моделі накопичення втомних пошкоджень визначено кількість циклів до відмови при використанні композиційного бандажу на криволінійній частині трубопроводу з дефектом середніх розмірів. У Розділі 5 здійснено оцінку залишкової міцності насоса, який використовується в енергетичному машинобудуванні з урахуванням зменшення товщини стінок корпусних деталей від ерозійно-корозійного зносу. На основі розробленої математичної моделі накопичення втомних пошкоджень та з використання отриманих результатів об НДС конструкції визначено параметр пошкоджуваності для усіх можливих рівнів стоншення стінки конструкції. Проведено дослідження щодо оцінки надійності даних конструкцій з урахуванням ерозійно-корозійного зносу. У Висновках зазначено науково-практичні задачі, що були розвязані в роботі, викладені найбільш важливі наукові та практичні результати, надані рекомендації щодо впровадження результатів дослідження.
Thesis for granting the Degree of Candidate of Technical sciences in specialty 05.02.09 – Dynamics and Strength of Machines (13 – Mechanical Engineering). – National Technical University, "Kharkiv Polytechnical Institute", 2019. Machine-building structures used in power engineering are worked under conditions of intense cyclic loading and the action of aggressive external or working environments. Long-term using of structures in such conditions is led to corrosion or formation of volumetric defects on working surfaces, thinning of the walls of hull parts and other. It can have led to the appearance of additional zones of localization of deformed state in structural elements that can be differ significantly from the design values, and together with the cyclic nature of the load can led to an intensive accumulation of fatigue of the material and failure. Untimely detection of that defects caused of emergencies, environmental disasters, and cause significant consumer losses. Predicting the reliability of elements of such structurals is an urgent problem whose solution makes it possible to prevent them from sudden failures, to plan repair work, to evaluate operational risks, and so on. The aim of the work is to develop computational approaches to predicting the reliability and estimation of the residual life of structural elements used in energy transportation and power engineering, which have acquired corrosive nature defects based on a statistical evaluation of the stress-strain concentration and fatigue accumulation processes. For solving the tasks formulated on the basis of the stated aim, the approaches to the estimation of the reliability of structural elements used in transportation of energy carriers and power engineering with corrosion-damaged areas has been improved, which are allowed to predict the possible development of corrosion damages and the processes of accumulation of fatigue, which have the follow scientific novelty: 1. New regularities have been obtained concerning the effect of volumetric defects of corrosive nature on the concentration of stresses in structural elements used in the transport of energy carriers and in power engineering under different parameters of these defects in curvilinear sections of structures. 2. For the first time, statistical estimate has been obtained regarding the possible variation of stress concentration in structural elements used in energy transportation and in power engineering in the conditions of forecast of possible stochastic development of corrosion in time and taking into account operational variation of cyclic loading. 3. The statistical models and methods of estimating the process of development of damage in multi- and small-cycle fatigue have been developed, which, unlike the existing models, are taken into account the random change of the deformed state parameters over time, which is caused by the formation of stress concentrations around volumetric surface defects. 4. For the first time have been established the regularities of the influence of corrosion defects of various degrees of development on the prediction of the reliability of the residual life of structural elements based on the improved statistical models of the estimation of the process of fatigue damage accumulation. Using the developed approach to predict the reliability of structural elements, the following practical problems were solved: 1. The parameters of damage and the number of cycles to failure of the elbow of the pipeline with three-dimensional surface defect of the average sizes were defined, with taking into account operational variation of load, which have values in the range from 1 to 50 cycles (up to 1.5 years) at the maximum possible load and from 70 to 470 cycles (2 to 10 years) at minimum load in the pipeline with a defect of medium size, And in the case of a defect stochastically developing number of cycles to failure is from 42 to 700 (from 14 months to 20 years) at the maximum possible load. 2. The effect of composite bandage on the mean-sized pipeline resource was investigated. Calculations have been made for determine the rational dimensions of the composite bandage for the curved portion pipeline with the mean-sized defect. The value of the internal pressure at which equivalent stresses reach the strength limits in the pipeline with a bandage of different thickness (from 25 mm to 175 mm) was determined. It is established that in the presence of a 75 mm bandage with a defect depth of less than 40% of the thickness of the pipeline, the equivalent stresses are reduced by 10% and plastic deformation does not occur at the maximum load. In the case of a defect depth is greater than 40% of the pipeline thickness in the pipeline, the equivalent stresses are reduced from 25% to 50% at different defect sizes, respectively, and equal to the yield strength. The number of cycles to failure when using a composite bandage has increased 100 times, which is making possible for the pipeline to be operated further. 3. Estimation of the residual strength of the pump used in power engineering has been made, taking into account the reduction of the wall thickness of the body parts in consequence from erosion-corrosion wear. The design deformed state was determined when the walls of the housing are thinned from 10% to 30%, which is possible for long-term operation. The values of the number of cycles to failure were obtained with taking into account the accumulation of fatigue damage and the impact of operational wear of the structure. The object of the study is the processes of accumulation of non-localized fatigue damage, as well as the influence of the presence of localized corrosion defects which is development over time on the strength and reliability of structural elements used in energy transportation and in power engineering. The subject of the study is the reliability indicators, as well as the probabilistic characteristics of the parameters of the deformed state and fatigue damage, which are accumulated in the elements of the investigated structures, taking into account the presence and prediction of stochastic development of corrosion defects in it. The main part of the dissertation includes Introduction, Section 1 – "Analysis of modern approaches to solving the problems of reliability of structural elements with acquired damage", Section 2 – "Theoretical bases of modeling elements of structures with corrosion defects", Section 3 – "Probability assessment of strength and reliability of pipeline with corrosion defects and the prediction of their residual life-time", Section 4 – "Analysis of the possibility of improving the reliability of the structure by using composite bandage", Section 5 – "Assessment of the residual life-time of the housing elements of pumps of the energy system" and Conclusions, and also contains 74 figures and 18 tables. The introduction substantiates the relevance of the dissertation topic, formulates its aim and objectives, defines the object, subject and methods of research, scientific novelty and practical significance of the work. Section 1 is presented the analysis of works aimed at predicting the reliability of structural elements in mechanical engineering, the analysis of scientific and technical literature on the study of corrosion-damaged structural elements used in energy transportation and in power engineering. The main methods for determining the residual life-time of structures used in energy transportation and power engineering and which have acquired defects were identified. Approaches to the estimation of fatigue accumulation were analyzed. Section 2 is presented the theoretical foundations for solving the problem of statistical estimation of structural elements with defects, in particular, the estimation of the predicted overall defect sizes in statistical modeling, and a research methodology is defined. The solution of the problem of elastic-plastic deformation with kinematic hardening at a multi-linear deformation diagram is presented. The dependences of the kinetics of growth of the corrosion defect sizes in three directions in time are determined, and also that its overall dimensions at a fixed moment of time are random and obey the log-normal distribution law. Within the framework of continuous damage mechanics, methods of reliability estimation and prediction of residual life-time of damaged sections of structural elements have been improved. In Section 3 the parametric mathematical models for determining the stress-strain state of the curved part of the pipeline in the presence of a three-dimensional surface defect of corrosive character are developed. The peculiarities of stress concentration formation in the damaged parts of structural elements were studied, taking into account the operational variation of the load and the stochastic nature of the development of corrosion defect. Using the developed approach to predicting the reliability of structural elements, the parameters of damage and the number of cycles to failure of the pipeline elbow with volumetric defect, which develops over time with taking into account the operational variation of the load, were determined. Section 4 is investigated the effect of composite bandage on a life-time of pipeline with defect. In order to determine the rational dimensions of the composite bandage, calculations of the curved part of the pipeline with defect with the dimensions obtained during the diagnostics of the pipeline in operation were performed. Calculations were made to determine the rational dimensions of the composite bandage for the curved portion of the mean-sized defect pipeline. According to the developed mathematical model of accumulation of fatigue damage, the number of cycles to failure using a composite bandage on a curved part of a pipeline with a defect of medium size was determined. Section 5 is assessed the residual strength of the pump used in power engineering with taking into account the reduction of the wall thickness of the body parts from erosion-corrosion wear. On the basis of the developed mathematical model of accumulation of fatigue damage and using the results obtained on the deformed state of the structure, the parameter of damage for all possible levels of thinning of the wall of the pump was determined. Research to evaluation the reliability of these structures, taking into account erosion-corrosion wear has been carried out. The conclusions are summared the scientific and practical problems that have been solved in the paper, outlined the most important scientific and practical results, and provided recommendations for the implementation of the research results.

Гладьо С.В. Оцінка впливу дорнування отворів на довговічність елементів крила транспортного літака – рукопис Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.02.04 – «Механіка деформівного твердого тіла». – Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя, Тернопіль, 2014. Дисертацію присвячено виявленню основних закономірностей впливу відносного натягу дорнування (i=1%,2%,3%) та діаметру отвору (d=8 мм,10 мм,12 мм) на циклічну тріщиностійкість пластин із алюмінієвого сплаву Д16чТ і розробці методики прогнозування втомної довговічності силових конструктивних елементів крила транспортного літака. Встановлено, що довговічність пластин до зародження втомної тріщини довжиною 0,25 мм від отвору діаметром 8 мм та 10 мм за натягу дорнування i=1% підвищується у 1,5-3 разів проти недорнованих пластин з отворами. Аналогічна залежність спостерігається для дорнування з натягом i=2%. З подальшим підвищенням натягу дорнування (до i=3%) довговічність до зародження втомної тріщини підвищується у 7-10 разів проти недорнованих пластин з отворами. Обґрунтовані критерії циклічної міцності силових конструктивних елементів із зміцненими функціональними отворами. Основними критеріями для прогнозування довговічності пластин із дорнованими отворами діаметром 8 мм та 10 мм вибрано розмах напружень на циліндричній поверхні отвору ∆σ_yy та розмах напружень на відстані, що дорівнює зоні передруйнування d^* від циліндричній поверхні отвору ∆σ_yy^*. Розроблено конструктивно-технологічні рекомендації для підвищення втомної довговічності силових конструктивних елементів крила транспортного літака. Для отворів діаметром 8 мм, 10 мм та 12 мм оптимальним є натяг дорнування 3%. За рахунок значних пластичних деформацій досягаються високі залишкові напруження стиску на ділянці біля отвору, що значно зменшує напруження розтягу при циклічному навантажуванні.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.02.09 – динаміка та міцність машин. – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2016. Дисертаційна робота присвячена вирішенню науково-прикладної проблеми, яка полягає у створенні розрахункових методів визначення ресурсу машинобудівних елементів конструкцій з гумо-кордними композитами та їх складовими. У роботі запропоновано моделі накопичення втомної пошкоджуваності в матеріалах, що вивчаються, при їх циклічному деформуванні на скінченних рівнях деформацій в рамках теорії континуальної механіки пошкоджуваності, з урахуванням одночасного протікання процесів деградації їх властивостей внаслідок старіння. Встановлено характеристики пружності, міцності та опору втомі типових гумових матеріалів та гумо-кордних композитів, а також закономірності їх зміни внаслідок старіння на основі проведеного комплексу експериментальних досліджень. Сформульовано підхід до створення ієрархічної системи розрахункових скінчено-елементних моделей різного масштабу розгляду гумо-кордних композиційних елементів машин. Запропоновано СЕ моделі автомобільних пневматичних шин, багатошарових амортизаційних прокладок, гумо-кордних тороїдальних компенсаторних муфт, що враховують особливості їх тривимірної багатошарової конструкції, криволінійну ортотропію механічних властивостей. Із використанням розроблених моделей досліджено особливості формування функціонально-експлуатаційних характеристик зазначених елементів машинобудівних конструкцій, а також проведено прогнозування їх надійності.
The thesis is presented for scientific degree of doctor of technical sciences, speciality 05.02.09 – Dynamics and strength of machines. – National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Kharkiv, 2016. The thesis deals with a solution of a scientific and practical problem of devel-opment of computational methods of determination of mechanical engineering elements life-time with rubber-cord composites and their components based on creation of probabilistic mathematical models describing fatigue damage accumulation and scientific-based approaches for definition of characteristics of a deformed state in those structural elements. The work offers improved probabilistic models of the fatigue damage accumu-lation in the subject materials under cyclic deformation with finite strain amplitudes in the framework of continuum damage mechanics. The appropriate models take into account a random scatter of the material fatigue resistance characteristics, along with simultaneous passing of stochastic processes of material properties degradation caused by natural aging. The approaches are developed for determination of the probability characteristics of the machine elements fatigue damage and life-time considering presence of possible operational random variation of the characteristics of the deformed state. New analytical formulations have been obtained for the determination of a onedimensional probability density function for the process of damage fatigue accumulation basing on the offered mathematical models. A relation between the characteristics of the classical S-N curve and parameters of a fatigue damage kinetic equation within the offered model has been found. It allows to determine the required material damage parameters basing on the known experimental data. A series of experimental researches has been carried out for identification of the characteristics of elasticity, strength and fatigue resistance parameters for a typical rubber-like materials and rubber-cord composites. The study has been performed for specimens before and after artificial aging. Regularities of changes in the characteristics of the materials caused by aging have been analysed. A methodological approach is formulated for creation of a hierarchical system of FE models with a different scale of rubber-cord elements representation. In the framework of the approach: macro-models integrally represent the composite as orthotropic homogeneous material that makes it possible to solve practical problems, considering the main design features, operational conditions etc. Micro-level models allow to estimate internal concentration of stresses and strains in the rubber-cord composites.Basing on this approach a number of hierarchical systems of FE models have been developed for automobile pneumatic tires, multilayer amortizing cushion, rubber-cord toroidal compensatory tubes and hoses that take into account the peculiarities of their three-dimensional multi-layer internal structure and curve-linear orthotropy of mechanical properties. A formation of functional performance of the mentioned engineering designs along with characteristics of their reliability have been analysed basing on the developed models. The lifetime forming features of the pneumatic tires and toroidal tubes with different service loading have been studied along with the influence of the intensity of the aging process. It has been developed an informational system that allows to automate the creation process of geometrical and computational FE models of pneumatic tires for a wide class of their sizes and design variations. The informational system is developed as integrated software based on the existing CAD/CAE programs.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.02.09 – динаміка та міцність машин. – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2016. Дисертаційна робота присвячена вирішенню науково-прикладної проблеми, яка полягає у створенні розрахункових методів визначення ресурсу машинобудівних елементів конструкцій з гумо-кордними композитами та їх складовими. У роботі запропоновано моделі накопичення втомної пошкоджуваності в матеріалах, що вивчаються, при їх циклічному деформуванні на скінченних рівнях деформацій в рамках теорії континуальної механіки пошкоджуваності, з урахуванням одночасного протікання процесів деградації їх властивостей внаслідок старіння. Встановлено характеристики пружності, міцності та опору втомі типових гумових матеріалів та гумо-кордних композитів, а також закономірності їх зміни внаслідок старіння на основі проведеного комплексу експериментальних досліджень. Сформульовано підхід до створення ієрархічної системи розрахункових скінчено-елементних моделей різного масштабу розгляду гумо-кордних композиційних елементів машин. Запропоновано СЕ моделі автомобільних пневматичних шин, багатошарових амортизаційних прокладок, гумо-кордних тороїдальних компенсаторних муфт, що враховують особливості їх тривимірної багатошарової конструкції, криволінійну ортотропію механічних властивостей. Із використанням розроблених моделей досліджено особливості формування функціонально-експлуатаційних характеристик зазначених елементів машинобудівних конструкцій, а також проведено прогнозування їх надійності.
The thesis is presented for scientific degree of doctor of technical sciences, speciality 05.02.09 – Dynamics and strength of machines. – National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Kharkiv, 2016. The thesis deals with a solution of a scientific and practical problem of devel-opment of computational methods of determination of mechanical engineering elements life-time with rubber-cord composites and their components based on creation of probabilistic mathematical models describing fatigue damage accumulation and scientific-based approaches for definition of characteristics of a deformed state in those structural elements. The work offers improved probabilistic models of the fatigue damage accumu-lation in the subject materials under cyclic deformation with finite strain amplitudes in the framework of continuum damage mechanics. The appropriate models take into account a random scatter of the material fatigue resistance characteristics, along with simultaneous passing of stochastic processes of material properties degradation caused by natural aging. The approaches are developed for determination of the probability characteristics of the machine elements fatigue damage and life-time considering presence of possible operational random variation of the characteristics of the deformed state. New analytical formulations have been obtained for the determination of a onedimensional probability density function for the process of damage fatigue accumulation basing on the offered mathematical models. A relation between the characteristics of the classical S-N curve and parameters of a fatigue damage kinetic equation within the offered model has been found. It allows to determine the required material damage parameters basing on the known experimental data. A series of experimental researches has been carried out for identification of the characteristics of elasticity, strength and fatigue resistance parameters for a typical rubber-like materials and rubber-cord composites. The study has been performed for specimens before and after artificial aging. Regularities of changes in the characteristics of the materials caused by aging have been analysed. A methodological approach is formulated for creation of a hierarchical system of FE models with a different scale of rubber-cord elements representation. In the framework of the approach: macro-models integrally represent the composite as orthotropic homogeneous material that makes it possible to solve practical problems, considering the main design features, operational conditions etc. Micro-level models allow to estimate internal concentration of stresses and strains in the rubber-cord composites.Basing on this approach a number of hierarchical systems of FE models have been developed for automobile pneumatic tires, multilayer amortizing cushion, rubber-cord toroidal compensatory tubes and hoses that take into account the peculiarities of their three-dimensional multi-layer internal structure and curve-linear orthotropy of mechanical properties. A formation of functional performance of the mentioned engineering designs along with characteristics of their reliability have been analysed basing on the developed models. The lifetime forming features of the pneumatic tires and toroidal tubes with different service loading have been studied along with the influence of the intensity of the aging process. It has been developed an informational system that allows to automate the creation process of geometrical and computational FE models of pneumatic tires for a wide class of their sizes and design variations. The informational system is developed as integrated software based on the existing CAD/CAE programs.

Tese de Doutoramento em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores
As condutas são parte integrante das infraestruturas da sociedade atual e são usadas, na indústria de gás natural, para o seu transporte e armazenamento. Uma das problemáticas do uso das condutas é a deteção da ocorrência de fugas. Apesar dos numerosos estudos desenvolvidos, nesta área, persistem ainda questões em aberto e é impreterível atingir resultados equiparáveis aos das redes líquidas, nomeadamente no que respeita à monitorização e ao controlo. A investigação, neste campo, revela-se aliciante, uma vez que não existe, na indústria do gás, um método eficiente de deteção de fugas e se pretende evitar eventuais danos ambientais e para a saúde. A dinâmica do gás, numa conduta, é descrita por um sistema de equações às derivadas parciais e através de modelos de funções de transferência, baseados na solução desse sistema. Usando uma analogia elétrica, a conduta é representada por um quadripolo, tendo por base as medições de pressão/caudal, nas extremidades; é representada também a juncão de condutas, com a obtenção de valores intermédios de pressão/caudal. A obtenção destes perfis de pressão/caudal, ao longo da conduta, apresenta-se como uma mais-valia dado o reduzido número de sensores de caudal existentes nas redes e o elevado custo que acarreta a sua implementação. Consideram-se simplificações dos modelos propostos, que são avaliadas com um caso de estudo composto por dados reais e simulados. Estas simplificações mostram-se precisas e com redução dos custos computacionais, tornando esta técnica economicamente viável. Tendo por base a mesma analogia elétrica, é modelada uma fuga, ao longo de uma conduta com e sem sensores de pressão/caudal. Nesta tese, é proposto um detetor/localizador de fugas, numa conduta de gás natural selada, que visa a inovação e a economia. Assim, através dos modelos supracitados, comparam-se perfis padrão de pressão/caudal e perfis operacionais e a fuga é detetada quando as diferenças entre os perfis ultrapassam os limites estabelecidos. Este detetor mostra-se eficaz, inclusive para fugas inferiores a 1% do caudal médio da conduta e na presença de um elevado nível de ruído nos dados medidos, para além de apontar a localização da fuga e estimar a sua dimensão.
Pipeline technology is essential to a modern society infrastructure, and is used to transport and store gas in natural gas industry. One of the key issues faced in pipeline industry is leakage detection. Despite numerous studies in the area, there are still many open questions to be addressed in order to achieve equivalent performance to the one existent in the liquid pipelines, namely in management and control. This area of interest is motivating since there is no efficient method used in the industry and it is crucial to prevent leakage, and therefore avoid potential significant environmental and health consequences. The gas dynamics in the pipeline is described by a system of partial differential equations and transfer functions models are derived from the system solution representation. Using an electrical analogy, the pipeline is represented by a quadripole, depending on the pressure/mass flow at the both ends of the pipeline; also a pipeline junction and intermediate pressure/mass flow values can then be assessed. Thus pressure/mass flow profiles along the pipeline can be determined allowing this methodology to overcome the scarceness of flow measurements and their expensive implementation. The proposed models are simplified and assessed using a case study which is a mix of real and simulated data. This shows important benefits in terms of accuracy and reduction cost of computation, making this methodology to be economically viable. The models for leakage detection purpose are also built based on the same concept, using in some cases pressure/mass flow sensors along the pipeline. In this dissertation an original cost-effective leakage detection method for a closed pipeline is proposed. Using the mentioned models, the operational pressure/mass flow profiles are compared with pre-established profile and a leakage is detected once the difference between those two profiles exceeds the threshold boundaries. This leakage detector can identify leakages of less than 1% even when the measured data has a high level of noise. Furthermore, a way to locate the leakage and estimate its dimension is proposed.