Mechanics and Advanced Technologies, Vol. 9, No. 4(107)
Постійне посилання зібрання
Переглянути
Нові надходження
Документ Відкритий доступ Дослідження та моделювання термічної обробки сталевих елементів металоформ для напівсухого вібропресування(Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, 2025) Гордієнко, В. І.; Васильченко, В. Ю.; Коваленко, О. О.; Хижняк, Є. В.В роботі досліджується процес повного циклу термічної обробки (цементація, загартування) елементів металоформ, що використовуються у виробництві бетонних виробів методом напівсухого об'ємного вібропресування. Високий абразивний знос робочих поверхонь металоформ вимагає оптимізації хіміко-термічної обробки. Традиційні методи не дозволяють точно спрогнозувати кінцевий фазовий склад та профіль твердості, особливо з урахуванням складного впливу концентрації вуглецю на кінетику загартування. Необхідна розробка чисельної моделі для прогнозування та контролю якості. Розроблено та реалізовано пов'язану мультифізичну 2D-модель (дифузія, теплообмін, фазові перетворення) для сталевого зразка 100 х 100 х 20 мм. Проведено моделювання цементації для двох початкових концентрацій вуглецю (0.08 та 0.2) з фінальним профілем насичення до 0.9 на поверхні. Після загартування у воді (типовий h ≈ 5000 Вт/(м2 К)), моделювання показало, що в цементованому шарі утворюється до 80-85 % мартенситу. Проте, у приповерхневій зоні зафіксовано підвищений вміст залишкового аустеніту (до 15-20 % масової частки). Наявність залишкового аустеніту в цементованому шарі пояснюється значним зниженням температури початку мартенситного перетворення (MS) через високу локальну концентрацію вуглецю. Це підтверджує, що навіть при високій швидкості охолодження (h ≈ 5000 Вт/(м2 К)), повне перетворення аустеніту в мартенсит не відбувається, що вимагає проведення додаткових термічних операцій. Використання моделі Koistinen-Marburger з інтегрованою концентраційною залежністю MS(c) та застосуванням нерівномірної сітки дозволило точно визначити межі цементованого та загартованого шарів. Це забезпечило кількісну оцінку профілю кінцевого фазового складу, необхідну для прогнозування твердості. Результати моделювання можуть бути використані інженерами-технологами для оптимізації режимів цементації (температура, час) та загартування (швидкість охолодження) з метою підвищення ресурсу сталевих металоформ, а також для обґрунтування необхідності проведення низького відпуску.Документ Відкритий доступ Лазерне формування алмазовмісних покриттів зв’язками на основі міді(Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, 2025) Гончарук, О. О.; Головко, Л. Ф.; Волошко, С. М.; Данилейко, О. О.; Капустинський, О. А.Вибір матеріалу зв’язки робочого шару з наповнювачем при виробництві алмазовмісного абразивного інструменту є вкрай важливим. Об’єктом дослідження є процес формування алмазовмісних покриттів на Сталі 40Л із використанням порошкової бронзової зв’язки складу CuSn10 (БрО10) як матричного матеріалу. Розглядається можливість застосування зв’язки CuSn10 (БрО10) для термодеформаційного лазерного спікання алмазовмісних покриттів на сталі 40Л з метою забезпечення надійного металургійного зв’язку робочого шару з основою та створення щільної структури без дефектів. Із застосуванням оптоволоконного лазерного випромінювача Maxphotonics 4‑го покоління (λ=1,06 мкм, потужність 500 та 1000 Вт, тривалість впливу 0,18 та 1,8 с) в інертному середовищі на поверхні сталевої підкладки синтезоване щільне бездефектне алмазовмісне покриття. Сформовано міцний металургійний зв’язок на межі бронза/сталь завдяки атомній дифузії Cu та Fe, а також щільний контакт з алмазами. Проаналізовано морфологію, хімічний склад, геометрію та мікротвердість наплавочного валика на межі алмаз/зв’язка. Визначено фазовий склад і перерозподіл елементів у матричній області залежно від густини потужності лазерного опромінення. Міцність з’єднання пояснюється поєднанням атомної дифузії Cu і Fe, утворенням інтерметалідних фаз та збільшенням площі контакту з алмазами внаслідок мікроструктурної перебудови при локальному нагріванні. Особливістю отриманих результатів є формування бездефектної щільної структури з високою адгезією, що відрізняє досліджувану технологію від традиційного порошкового пресування та спікання. Це дозволяє уникнути відшарувань і знизити ризик руйнування інструменту при навантаженні. Отримані результати можуть бути використані у виробництві алмазного абразивного інструменту для обробки твердих матеріалів.Документ Відкритий доступ Варіанти холодного видавлювання вісесиметричних порожнистих напівфабрикатів для подальшого витягування з потоншенням(Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, 2025) Драгобецький, В. В.; Калюжний, О. В.; Калюжний, В. Л.Проблематика. Холодне видавлювання порожнистих напівфабрикатів використовується у якості першого переходу штампування при виготовленні гільз і корпусів снарядів певного калібру. В умовах масового виробництва напівфабрикатів на першому місці стоїть задача підвищення стійкості деформуючого інструменту при холодному пластичному формоутворенні, що приведе до зменшення собівартості напівфабрикатів. Збільшення стійкості можна досягти завдяки зниженню зусиль видавлювання і питомих зусиль на деформуючому інструменті, зокрема на пуансонах і матрицях. Для отримання порожнистих напівфабрикатів в теперішній час широко використовують схему зворотного видавлювання, при якому діаметр заготовки однаковий із зовнішнім діаметром напівфабрикату. Вихідні заготовки із гарячекатаного круглого прокату отримують шляхом безвідхідного відрізання зсувом в штампах на пресах. Застосування схем прямого видавлювання з роздачою та зворотного видавлювання з роздачою в рухомій матриці приводять до зниження зусилля деформування, в порів-нянні зі зворотним видавлюванням, та потребують використання заготовок меншого діаметра при однакових зовнішніх розмірах напівфабрикатів. Зменшення діаметра прокату для виготовлення заготовок шляхом розділення зсувом приводить до підвищення геометричної точності отриманих заготовок, що є другою задачею при видавлюванні порожнистих напівфабрикатів. Мета. Проведення порівняльного аналізу холодного видавлювання порожнистих напівфабрикатів для подальшого витягування з потоншенням по схемах зворотного видавлювання, прямого видавлювання з роздачою та зворотного видавлювання з роздачою в рухомій матриці на основі моделювання методом скінченних елементів. Методика реалізації. Шляхом моделювання холодного видавлювання порожнистих напівфабрикатів по трьох схемах формоутворення встановлюються параметри, на базі аналізу яких вибирається раціональна схема для використання на виробництві. Результат. За допомогою методу скінченних елементів (МСЕ) проведено моделювання процесів холодного видавлювання круглих порожнистих напівфабрикатів по схемах традиційного зворотного видавлювання, прямого видавлювання з роздачою та зворотного видавлювання з роздачою в рухомій матриці. Встановлено залежності зусиль видавлювання, виймання пуансонів із напівфабрикатів та виштовхування напівфабрикатів із матриць від переміщення деформуючого інструменту. Виявлено питомі зусилля на пуансонах, матрицях і виштовхувачах. Визначено розподіли температури та інтенсивності деформацій у здеформованому металі в кінці видавлювання. Проведено оцінку пропрацювання структури металу холодною пластичною деформацією по ширині стінок і у донних частинах порожнистих напівфабрикатів. Схема зворотного видавлювання в рухомій матриці забезпечує знижені значення зусилля деформування і потребує використання заготовки меншого діаметру в порівнянні зі зворотним видавлюванням та має підвищену продуктивність в порівнянні з прямим видавлюванням Для реалізації виготовлення порожнистих напівфабрикатів на виробництві запропоновано схему зворотного видавлювання в рухомій матриці.Документ Відкритий доступ Integrated Geometric Confinement and Ejection-Driven Drainage Flow for Splash Suppession in High-Speed Abrasive Waterjet Machining(Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, 2025) Xue, Xianding; Salenko, OleksandrAbrasive waterjet machining (AWJM) is widely used in aerospace and precision manufacturing due to its cold-cutting nature. However, the residual high-energy jet column penetrating the workpiece frequently impacts the support structure, generating intense splashback that leads to surface contamination and secondary damage. To address this, we propose a composite anti-splash support structure integrating a concave bowl surface with a Venturi-induced negative pressure mechanism. Using VOF multiphase modeling combined with finite element validation, we elucidate the synergistic control mechanism: the curved bowl promotes wall-adherent liquid sliding to reduce radial momentum, while the Venturi throat creates a ~0.15 MPa negative pressure zone that captures droplets into the downstream channel for dissipation. Results demonstrate that compared to conventional supports, the design reduces mixture peak velocity by ~35%, decreases droplet diffusion height by 40%, and curtails radial spread by 30%, effectively constraining contamination areas. Static analysis further confirms the structure maintains high safety margins even under extreme loads. These outcomes not only enhance AWJM processing environments but also provide a validated engineering paradigm for high-speed fluid interaction control. Looking forward, the mechanism resonates with splash suppression needs in photolithography, food packaging, electronic encapsulation, and metal cutting, paving the way for a universal design and evaluation system for splash control in advanced manufacturing.Документ Відкритий доступ Властивості решітчастих структур Ti-6Al-4V із in-situ легуванням та функціональним градієнтом(Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, 2025) Кирилаха, С. В.Проблематика. Об’єктом дослідження є решітчасті структури з титанових сплавів Ti-6Al-4V, виготовлені за допомогою методів selective laser melting (SLM) та laser powder bed fusion (LPBF), включно з in-situ легованими та функціонально градієнтними варіантами. Проблема полягає у відсутності систематизованих даних щодо взаємозв’язку технологічних параметрів процесу адитивного виробництва, мікроструктури матеріалу та його механічних властивостей, що обмежує застосування таких матеріалів у авіаційній та космічній промисловості. Мета дослідження. Визначення впливу in-situ легування та функціонального градієнту решітчастих структур на формування мікроструктури, модуль пружності, міцність і енергопоглинальні властивості Ti-6Al-4V, отриманого методом SLM/LPBF. Методика реалізації. Експериментальні зразки з Ti-6Al-4V–3 % Cr виготовлялися шляхом SLM/LPBF із контрольованими параметрами енергетичної щільності та сканування. Для оцінки структури застосовували рентгенівську дифрактометрію (XRD), електронну мікроскопію (SEM, EBSD, EDS), а також аналіз геометрії решітчастих структур. Паралельно використовували комп’ютерне моделювання методом кінцевих елементів (FEM) для прогнозування механічної поведінки. Результати дослідження. Отримані результати демонструють, що in-situ легування Cr дозволяє стабілізувати b-фазу та контролювати розподіл a + b мікроструктури, підвищуючи міцність та жорсткість сплаву (UTS до 1050 МПа, відносне видовження 8–10 %). Решітчасті структури еліптичної та спіральної геометрії показали максимальний модуль пружності 0,76 ГПа та 0,41 ГПа відповідно, при одночасному зниженні маси конструкцій. Функціонально градієнтні решітчасті структури із змінним діаметром стержнів (1–1,2 мм) забезпечили більш ефективне передавання напружень і контрольовану локальну жорсткість. Спостережений ефект пояснюється впливом підготовки підкладки та циклічного нагріву під час LPBF, що сприяло дифузійному розпаду мартенситу a¢, стабілізації b-фази та зменшенню концентрацій напружень у критичних ділянках решітки. Висновки. Особливістю роботи є поєднання in-situ легування та функціонального градієнту геометрії, що дозволяє досягти оптимального співвідношення міцність/маса, підвищити енергопоглинальні властивості матеріалу та забезпечити контрольовану механічну відповідь по всьому об’єму деталі. Сфера практичного застосування охоплює авіаційну й космічну техніку, де критично важливе зменшення маси при високій жорсткості та міцності деталей, а також можливе використання у структурних компонентах із підвищеною вимогою до стійкості до локальних навантажень.Документ Відкритий доступ Формалізація технологічних процесів на базі основ векторного та тензорного аналізу(Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, 2025) Забашта, В. Ф.У роботі здійснено подальший розвиток результатів досліджень [1]–[5] на основі системного аналізу з використанням інтерпретаційно-формального підходу в новому науково-технічному напрямі – технологічній інтерпретації близь-ких за змістом положень векторного та тензорного аналізу. Це дозволяє розширити формальне поле подання технологічних процесів у межах концепції їх “технологічного смислу” та підвищити формальну спроможність опису ТП. Розкриваються результати досліджень у практико-виробничому аспекті, що стосується ТП, передбачаючи застосування векторного та тензорного аналізу в координатний підхід, технологічний простір, скалярний добуток, матричний тензор, а також прик-лади тензорного та векторного аналізу в технології композитних АКЗ. Визначається, що вектори (тензори) можуть бути задані різними способами, залежно від технологічного контексту (технологія полімерних композиційних матеріалів – ПКМ), а набір компонент є лише його зображенням у певному (по деталізації) базисі. Використовується координатний підхід, а також можливість інших способів завдання і роботи з векторами (тензорами) на прикладі звичайних векторів і простих тензорів другого рангу, характерних потужною ідеєю ортогональності. Оскільки, за 2-гим вектором та тензором стоять реальні технологічні об’єкти, в тому числі: автономна динамічна система (АДС), конструктивно-технологічні рішення (КТР), технологічні процеси (ТП), у вигляді контрваріантних та коваріантних векторів тощо. Показано інтерпретаційну відповідність технологічного тлумачення контраваріантних і коваріантних координат вектора, а також встановлено характер зв’язків між технолого-контраваріантними та технолого-коваріантними координатами. На прикладі продемонстровано інваріантність укрупнених етапів складного технологічного процесу в різних системах ко-ординат, що підтверджує незмінність технологічного вектора за умови перетворення його координат.Документ Відкритий доступ Верхня оцінка приведеного тиску та оптимізація параметрів схеми прямого видавлювання деталей з конічною порожниною(Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, 2025) Грановський, А. Є.Об’єктом дослідження є процес прямого холодного видавлювання деталей з конічною порожниною. Проблема полягає у відсутності узагальнених аналітичних оцінок приведеного тиску, які одночасно враховують геометрію днища і стінки конічної порожнини, контактне тертя та параметри розбиття осередку деформування і залишаються придатними для інженерного розрахунку. Метою роботи є розроблення параметричної схеми розбиття осередку деформування та визначення параметрів розбиття, за яких приведений тиск мінімальний. Осередок поділено на зону стискання і розвертання в області днища та зону обтиснення стінки конічної порожнини; приведений тиск подано сумою внесків цих зон. Для днища отримано замкнені аналітичні вирази для оптимальних геометричних параметрів, для стінки задачу мінімізації зведено до одновимірного пошуку за параметром розбиття при фіксованій кількості подібних трикутних елементів. Показано, що збільшення відносного радіуса отвору від 0,25 до 0,7 та кута внутрішньої поверхні стінки від 5 до 30 градусів, а також зменшення відносної товщини днища від 1,5 до 0,75 ведуть до зростання приведеного тиску приблизно у 1,5-2 рази. Виявлено порогову залежність від кількості подібних елементів у стінці: для малих відносних радіусів мінімум досягається при одному елементі, тоді як для більших радіусів оптимальна кількість становить від двох до п’яти. Параметри розбиття не задаються наперед, а визначаються з умов мінімуму приведеного тиску, що дає змогу розглядати розбиття днища та стінки як два кінематичні модулі. Запропонована модель враховує геометрію, тертя та кількість подібних жорстких елементів і може застосовуватися для попереднього проектування процесів видавлювання конічних деталей і комбінованих схем видавлювання.Документ Відкритий доступ Mechatronic Module with Alternative-Probability Control(Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, 2025) Gubarev, Oleksandr; Belikov, Konstantin; Murashchenko, AlonaThis article presents control algorithms for adaptive mechanical systems. Object of research: processes occurring in industrial hydraulic drive systems during their operation. Subject of research: dependence of operational efficiency of industrial hydraulic drive systems on the term and operating modes, and applied fundamental circuit solutions and technical means that affect the functional, energy, and cost indicators of the system.The problems solved in the presented article are actual tasks. They involve the use of previous experience in the operation of a specific mechatronic system in specific conditions, for the formation of an adaptive control algorithm. The study is based on the creation of logical interpretations in the algorithm for decision-making. The simultaneous consideration of logical connections and the probability of the component “success of system actions” is considered. On the basis of which a two-component structure of logical expressions of control commands is formed. Accordingly, examples are given for evaluating each of the operation options. The article presents the scope and conditions of practical use of the obtained results. They are based on several examples, namely, the technical implementation of the manipulator macromodule with alternative probabilistic control is considered. It is possible to use the success of the system’s actions and the choice of the option for distributing attempts by digits or/and the basis of logarithmic weight. The peculiarity of the obtained results lies in the use of the criterion of “volume of involved memory” in the control system. This makes it possible to prioritize one of the alternative reactions of the system to external excitation, which provides a basis for the formation of control commandsДокумент Відкритий доступ Вплив галтелі на роботу ультразвукового ступінчастого трансформатора коливальної швидкості(Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, 2025) Мовчанюк, А. В.; Луговський, О. Ф.; Шульга, А. В.; Новосад, А. А.У даній роботі представлено результати чисельного дослідження впливу геометричних параметрів, зокрема радіуса галтелі, на динамічні характеристики ультразвукового ступінчастого трансформатора коливальної швидкості. Подібні трансформатори застосовуються у високочастотних електромеханічних системах для узгодження акустичних імпедансів між перетворювачем та навантаженням, а також для підвищення амплітуди механічних коливань. Моделювання здійснювалося із використанням методу скінченних елементів (FEM), який забезпечує можливість урахування просторового розподілу напружень та деформацій у робочому об’ємі трансформатора. Проведено аналіз впливу діаметра та акустичної довжини окремих ступенів трансформатора на його резонансну частоту та коефіцієнт підсилення. Встановлено, що збільшення діаметра призводить до зниження резонансної частоти, тоді як зростання радіуса галтелі спричиняє її підвищення. Отримано кількісні залежності між радіусом галтелі, коефіцієнтом трансформації та резонансною частотою, що дають змогу здійснювати наближене визначення оптимальних конструктивних параметрів. Показано, що збільшення радіуса галтелі сприяє зменшенню концентрації механічних напружень у зоні переходу між ступенями, що, у свою чергу, підвищує втомну міцність конструкції. Запропоновано емпіричну залежність для попереднього визначення радіуса галтелі, яка дозволяє забезпечити відповідність фактичної резонансної частоти розрахунковим значенням. Отримані результати можуть бути використані при проєктуванні та оптимізації ультразвукових підсилювальних систем і перетворювачів, що застосовуються в технологіях ультразвукового зварювання, оброблення матеріалів та модифікації поверхневих шарів.Документ Відкритий доступ Біомеханіка остеосинтезу титановими міні- пластинами кісток нижньої щелепи ушкоджених переломом(Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, 2025) Крищук, М. Г.; Мусієнко, О. С.; Маланчук, В. О.; Мазурик, Я. М.Основним завданням остеосинтезу кісток щелепи ушкоджених переломом є співставлення уламків в анатомічно-правильному положенні та їх надійне утримання протягом заданого періоду часу консолідації конструкціями фіксаторів. Процеси, що розвиваються в кістковій тканині після встановлення фіксатора кісток щелепи ушкоджених переломом суттєво залежать від умов силового навантаження. Стабільність фіксації кісток ушкоджених переломом впливає на перебіг репаративних біологічних процесів та обумовлює один одного, що необхідно враховувати при їх остеосинтезі. Для визначення стратегій остеосинтезу ушкоджених кісток титановими мініпластинами з гвинтами сформовано математичні моделі напружено-деформованого стану сполучених неоднорідних тіл біологічного походження та технологічного виготовлення фіксатора при статичних навантаженнях. Числове моделювання біомеханіки остеосинтезу 3D цифрових двійників біомеханічних систем остеосинтезу здійснено у програмному середовищі ANSYS з урахуванням ізотропних властивостей їх структурних елементів. Встановлено закономірності впливу конструктивних особливостей титанових мініпластин та умов їх фіксації на жорсткість і напружено-деформований стан імітаційної моделі нижньої щелепи ушкодженої бічним переломом. Розрахунки амплітуд та градієнтів напружень моделей біомеханічних систем остеосинтезу в числовому експерименті допомогло з’ясувати параметри необхідної жорсткості та топологію розташування двох типів мініпластин та гвинтів, що впливають на діастаз та щільність міжфрагментного контакту уламків в ділянці перелому щелепи. Емпіричні дані вимірювань жорсткості систем остеосинтезу нижньої щелепи титановими мініпластинами проведені на трупних зразках. Встановлені рівні деформації біомеханічних систем натурних об’єктів в зоні фіксації кісткових відламків мініпластинами є вирішальним фактором для оцінки ризику надмірного зміщення фрагментів у післяопераційний період.Документ Відкритий доступ Оптимізація характеристик ревізійних ендопротезів колінного суглоба(Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, 2025) Овчаренко, Єгор І.Розглядається проблема зниження маси індивідуальних ревізійних ендопротезів колінного суглоба при збереженні їх несучої спроможності через створення внутрішніх порожнин. Актуальність дослідження обумовлена необхідністю зменшення навантаження на кісткову тканину, покращення комфорту пацієнта та економії титанового сплаву при виготовленні індивідуалізованих імплантатів. Застосування адитивних технологій, зокрема селективного лазерного плавлення (SLM), дозволяє створювати складні внутрішні геометрії, недосяжні для традиційних методів обробки. Метою дослідження є визначення оптимального співвідношення між зниженням маси та збереженням міцнісних характеристик шляхом скінченно-елементного аналізу двох варіантів порожнистих конструкцій на базі стержня довжиною 75 мм з потовщенням. Чисельне моделювання виконано в програмному комплексі Ansys Student 2024 R2. Отримано кількісні показники зміни маси (зниження на 25-35%) та відповідного зростання максимальних напружень (6-20%) для різних конфігурацій внутрішніх порожнин. Результати демонструють можливість суттєвого зниження маси імплантату з прийнятним збільшенням напружень, що не перевищує запас міцності конструкції.Документ Відкритий доступ Numerical Analysis of 2D Elastic Torsion Problem for a Rod by the Method of Matched Sections(Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, 2025) Slovak, Kostiantyn; Orynyak, Igor; Danylenko, KirillTorsion problem is treated here as Saint Venant’s semi-inverse task for prismatic bars, which allows to consider 2D geometry instead of 3D one. The novelty of the paper is that at the first time it tackles the problem by the method of matched section, MMS, – a new numerical approach for multiphysics problems. Like finite element method it supposes the continuous distribution of all parameters within the element, and like volume element method it keeps the conservation laws and equilibrium for each element and the body as a whole. The main idea of MMS is to substitute the partial differential equations (stemmed from required conservation laws) by the ordinary ones by introducing the additional constants, which can be later found from the continuity conditions at the center of element. The governing equations for torsion are broken out on two independent (along each coordinate axis passed through the centers of the opposite sides) equations, which relate two governing parameters (angle of rotation and torque) at the beginning with those at the end of the element. Each element contains 8 unknowns, so 4 above connection equations are supplemented by continuity conditions between elements and the boundary conditions. In addition to rectangular element the simplified version of the triangular one is proposed which is used to account for the outer boundary configuration. Numerical verification is performed for different shapes of cross-section and for composite cross-section. The results show the efficiency of the method, and high accuracy is attained even for small grids.