Наукові вісті КПІ: міжнародний науково-технічний журнал, № 3(133)
Постійне посилання зібрання
Переглянути
Нові надходження
Документ Відкритий доступ Extraction of organosolv pulp and production of nanocellulose from hemp fibres(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2021) Barbash, V. A.; Yashchenko, O. V.; Yakymenko, O. S.; Zakharko, R. M.Background. The use of cellulose and nanocellulose instead of synthetic polymers makes it possible to improve the consumer properties and environmental friendliness of composite materials. Therefore, the development of technologies for the production of organosolv pulp and nanocellulose from plant raw materials, in particular from hemp fibres, is an urgent scientific and practical problem. Objective. The purpose of the paper is to obtain pulp from hemp fibres by the peracetic method and to study the effect of the concentration of sulfuric acid and the temperature of hydrolysis of organosolv pulp on the quality parameters of hemp nanocellulose. Methods. Treatment of hemp fibres was performed in two stages: alkaline extraction and organosolv cooking at a temperature of 97 ± 2 °C. Nanocellulose was obtained by hydrolysis with a solution of sulfuric acid of various concentra tions. The resulting nanocellulose was examined by scanning electron microscopy (SEM), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), and atomic force microscopy (AFM). Results. Organosolv hemp pulp with a residual lignin content of 0.16% and an ash content of 0.08% was obtained. The nanocellulose particles obtained from it had a transverse size of 8–36 nanometers and a length of several micrometers. Nanocellulose films had high mechanical properties: density up to 1.54 g/cm3 and tensile strength up to 60 MPa. Conclusions. Carrying out thermochemical treatment of hemp fibres in two stages makes it possible to obtain pulp with a minimum residual content of lignin and minerals, which is suitable for the production of nanocellulose. Nanocellulose has been successfully isolated from organosolv hemp pulp by acid hydrolysis. Subsequent ultrasonic treatment allows obtaining a stable nanocellulose gel with high mechanical properties.Документ Відкритий доступ Agricultural by-product extracts as scale inhibitors of mild steel in tap water(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2021) Vasyliev, G. S.; Vorobyova, V. I.; Gerasymenko, Yu. S.; Chygyrynets, O. E.Background. In industrial heating processes, scaling is a major problem especially when natural water is used as heat carrier. The world economic losses due to scaling are estimated to constitute billions of dollars per year, the development of efficient, environmentally friendly and cheap approaches for reduction of scaling is an actual task nowadays. Utilization of agro-food wastes as a renewable source of scale inhibitors for water treatment of cooling water systems is a promising alternative to the existing approaches. Objective. Three industry by-products, namely rapeseed pomace, sugar beet pulp and fodder radish cake, have been tested as scale inhibitors of mild steel in tap water. Methods. Ethanol extracts were prepared by maceration and the electrochemical approach to study the scale formation was utilized, based on the measurement of oxygen reduction current during nucleation and formation of calcium carbonate in the presence of extracts. Scaling time, porosity and area density of the scale was determined and used to characterize the inhibition efficiency. Chemical compositions of extracts were analysed by GC-MS analysis (gas chromatography with mass selective detector by mass selective integration). Results. The rapeseed pomace extract and fodder radish cake extract at the concentration of 10 mL/L appeared to be efficient scaling inhibitors. Sugar beet pulp extract increases the crystallization time, however the amount of deposited scale appeared to be the same as in the tap water. Conclusions. The scale inhibition is caused mainly by the formation of adsorbed film on the scale nucleus that blocks the surface and prevent further crystal growth. Natural extracts are a promising source of scale inhibitors due to their low price, efficiency and environmental safety.Документ Відкритий доступ Моделювання динаміки автономного безпілотного підводного апарата за простого руху(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2021) Бурау, Н. І.; Величко, С. М.; Гуриненко, С. О.Проблематика. Створення безпілотних підводних апаратів (БПА) належить до найбільш пріоритетних напрямів морської робототехніки. На різних етапах розроблення БПА застосовують розрахунки та дослідження на основі методів чисельного аналізу та імітаційного моделювання. Для спрощення досліджень доцільно використовувати послідовно чисельне комп’ютерне моделювання за допомогою спеціалізованих програм (CAD), а також гідродинамічне моделювання (CAE). Мета дослідження. Виконати моделювання конструкцій автономного безпілотного підводного апарата (АБПА) торпедоподібної форми класу мініапаратів масою від 20 до 100 кг та проаналізувати вплив особливостей конструкції АБПА на характеристики обтікання за простого рівномірного прямолінійного руху. Методика реалізації. У програмному середовищі “Solidworks” виконувалось моделювання конструкції та зовнішнього вигляду чотирьох АБПА, що відрізняються геометричною формою та наявністю чи відсутністю додаткових конструктивних елементів. Побудовані моделі АБПА імпортувалися до програмного пакета “ANSYS Workbench”, в якому виконувалось моделювання простого прямолінійного рівномірного руху АБПА у морському середовищі. Результати дослідження. Для розроблених чотирьох моделей отримано епюри розподілу швидкості, тиску та кінетичної енергії турбулентності за простого прямолінійного рівномірного рух АБПА у морському середовищі. Висновки. Визначено вплив геометричної форми та додаткових конструктивних елементів на гідродинамічні характеристики АБПА за простого прямолінійного руху. Порівняльний аналіз результатів дає можливість виділити конструктивну модель АБПА, яку доцільно використовувати для подальших досліджень, зокрема з метою розроблення автоматичної системи керування для маневрового АБПА багатоцільового призначення. Показано, що завдяки інтеграції CAD та CAE програмних комплексів суттєво скорочується час дослідження, розробки та проектування апарата.Документ Відкритий доступ Вплив дифузійного навуглецювання приповерхневого шару металу на збільшення втомної довговічності титану та його сплавів(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2021) Труш, В. С.; Погрелюк, І. М.; Лук’яненко, О. Г.Проблематика. На втомні властивості титану та його сплавів впливає наявність приповерхневого шару, збагаченого вуглецем. Залежно від умов насичення, навуглецьований шар може складатися з карбідної фази та/або дифузійного шару (твердого розчину проникнення вуглецю). Формування лише дифузійного шару без карбідної фази може слугувати засобом підвищення довговічності титану за знакозмінного навантаження. Тому виникає необхідність визначити параметри навуглецьованого шару (рівень поверхневого зміцнення – K і товщина зміцненого шару – l), які забезпечать підвищення втомних властивостей. Мета дослідження. Встановити вплив дифузійного насичення вуглецем з газового середовища на довговічність титанових сплавів. Методика реалізації. Проведено навуглецювання титанових сплавів у вуглецевмісній газовій суміші. На титанових сплавах сформовано лише твердий розчин проникнення вуглецю з різним рівнем поверхневого зміцнення K і товщиною зміцненого шару l. Проведено втомні випробовування дослідних зразків за чистого й обертового згину. Результати дослідження. Показано вплив рівня поверхневого зміцнення K титану ВТ1-0 на втомну довговічність за малоциклового чистого згину та встановлено його оптимальне значення. Наведено втомну міцність навуглецьованих зразків титанових сплавів ВТ5 й ОТ4-1 за обертового згину з різним рівнем поверхневого зміцнення K. Досліджено дислокаційну структуру сплаву ВТ1-0 у вихідному стані та за оптимального рівня поверхневого зміцнення. Висновки. Встановлено, що за рівня поверхневого зміцнення K = 90% та товщини зміцненого шару l = 20 мкм зростає втомна довговічність за чистого згину зразків навуглецьованого титану ВТ1-0. З’ясовано, що за рівня поверхневого зміцнення K = 90% зразків зі сплавів ВТ5 й ОТ4-1 підвищується їх втомна міцність за обертового згину. Виявлено, що за оптимального рівня поверхневого зміцнення K = 90% у приповерхневому шарі титану ВТ1-0 формується впорядкована дислокаційна структура.Документ Відкритий доступ Порівняльний аналіз моделей глибоких нейронних мереж для прогнозування діагнозу COVID-19(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2021) Недашківська, Н. І.; Сапєльніков, О. О.Проблематика. Ситуація з коронавірусом COVID-19 станом на середину 2021 року знову викликає занепокоєння у всьому світі через появу нового небезпечнішого штаму “Дельта”. Науковці намагаються побудувати математичні моделі опису поширення захворюваності. У Китаї, США й інших країнах розробляють інструменти штучного інтелекту, спрямовані на прогнозування діагнозу COVID-19, і впроваджують їх у лікарнях. Мета дослідження. Порівняти розпізнавання різними моделями глибоких згорткових нейронних мереж хвороби COVID-19 на основі рентген-зображень грудної клітки людини. Методика реалізації. Моделі побудовано на основі архітектур мереж VGG16, ResNet50 і SqueezeNet із додаванням шарів для регуляризації цих мереж. Перед останнім, вихідним шаром мережі додавали шар дропауту. Навчання моделей здійснювали з використанням технології передачі знань transfer learning. Якість моделей оцінювали за матрицею помилок (confusion matrix), показниками точності (precision), повноти (recall/sensitivity), специфічності (specificity) і F-міри на валідаційній/тестовій множині рентген-зображень. Результати дослідження. Побудовано кілька моделей нейронних мереж, що поділяють рентген-зображення грудної клітки людини на класи: хворий на COVID-19 (клас 1) або здоровий (клас 2). Модель на основі архітектури ResNet50 отримала досить велике значення precision 96 % для класу 1 і загальне значення specificity 96,14 %. Recall виявлення захворювання на основі цієї моделі склала 88 %. Модель на основі архітектури VGG-16 правильно класифікувала 100 % (експеримент 1) / 96 % (експеримент 2) хворих на COVID-19 із тестової вибірки. Значення precision для класу хворих і значення загальної specificity на основі цієї моделі, однак, були меншими й склали 89 % / 92 % і 88,46 % / 92,31 % відповідно для двох експериментів. Значення F-міри для моделей ResNet50 і VGG-16 були досить значними й рівними 92 і 94 %. Висновки. Моделі глибоких згорткових нейронних мереж показали обнадійливі результати прогнозування діагнозу COVID-19 і потребують досліджень. Прогнозування діагнозу за допомогою розробленого програмного продукту на основі цих моделей триває до однієї хвилини – це швидше, ніж тести RT-PCR (ПЛР із зворотною транскрипцією), які нині використовують для підтвердження захворювання.Документ Відкритий доступ Генерування корпусів текстових даних на основі детермінованого методу(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2021) Юсин, Я. О.; Заболотня, Т. М.Проблематика. Розв’язання великої кількості задач у галузі оброблення природної мови передбачає використання корпусів текстових даних, що зумовлює актуальність підготовки останніх. Їх формування на основі справжніх текстів потребує часових витрат, а також є не завжди доцільним. Тому популярності набуває автоматизоване генерування корпусів на основі різних методів й алгоритмів, що значно спрощує підготовку експериментальних даних. Мета дослідження. Збільшити кількість знаходжуваних дефектів під час тестування програмних реалізацій методів оброблення природномовних текстових даних, розробивши новий метод генерування корпусів текстових даних задля їх використання як вхідних даних для тестування. Методика реалізації. Запропоновано детермінований метод генерації корпусів текстових даних CorDeGen (від Corpora Deterministic Generation), що задовольняє такі вимоги: детермінованість; залежність на вході лише від бажаної кількості термів у корпусі, що генерується; забезпечення генерування корпусу нетривіальної структури. На основі запропонованого методу розроблено відповідний алгоритм, а також виконано програмну реалізацію на платформі .NET (мова програмування – C#). За допомогою цієї програмної реалізації оцінено швидкодію та ефективність розробленого методу. Результати дослідження. Оцінювання швидкодії розробленого методу CorDeGen показало степеневу залежність часу генерування корпусу від кількості термів (вхідного параметра) з показником степеня близьким до 1,5. У межах дослідження доцільність використання розробленого методу для тестування коректності програмних реалізацій показана на прикладі тестування методу кластеризації kсередніх. Висновки. Тестування створеного детермінованого методу генерації корпусів текстових даних довело його ефективність при тестуванні інших методів оброблення природномовних даних, як-от кластеризації, замість природних корпусів.Документ Відкритий доступ Ймовірнісне моделювання операційних ризиків(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2021) Левенчук, Л. Б.; Гуськова, В. Г.; Бідюк, П. І.Проблематика. Операційні ризики (ОР) притаманні всім видам людської діяльності, включно з промисловістю, транспортом, фінансовими послугами та ін. Ризики такого типу характеризуються множиною невизначеностей, неповнотою та низькою якістю даних, що ускладнює прогнозування й оцінювання. Для моделювання процесів, пов’язаних з ОР, необхідно виконати коректну обробку даних, а також ідентифікацію та врахування можливих невизначеностей. Для розв’язання таких задач придатний ймовірнісний підхід. Мета дослідження. Зробити короткий огляд методів ймовірнісного аналізу даних, призначених для побудови математичних моделей ОР. Розробити нову ймовірнісну модель у вигляді мережі Баєса для формального опису операційного ризику шахрайства, пов’язаного з актуарними процесами. Методика реалізації. Для обробки даних й експертних оцінок використовуються методи баєсового аналізу даних, призначені для побудови ймовірнісних моделей у формі баєсових мереж. Результати дослідження. Описано методи дослідження ОР і їх модифікації. Запропонований метод моделювання застосовано для побудови моделі ОР страхового шахрайства. Для побудови моделі проаналізовано задачу, вибрано множину змінних й оцінено необхідні апріорні умовні ймовірності. Остаточна модель побудована з використанням інструментарію моделювання GeNIe. Функціонування моделі продемонстровано на прикладі. Висновки. Показано, що задача моделювання, оцінювання та прогнозування ОР може бути розв’язана за допомогою ймовірнісного підходу, зокрема баєсової методології, яка дає змогу ідентифікувати та врахувати можливі невизначеності даних й експертних оцінок.Документ Відкритий доступ Optimization of lstm networks for time series forecasting(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2021) Romanuke, V. V.Background. LSTM neural networks are a very promising means to develop time series analysis and forecasting. However, s well as neural networks for other fields and applications, LSTM networks have a lot of architecture ver sions, training parameters, and hyperparameters, whose inappropriate selection may lead to unacceptably poor perfor mance (poor or badly unreliable forecasts). Thus, optimization of LSTM networks is still an open question. Objective. The goal is to ascertain whether the best forecasting accuracy is achieved at such a number of LSTM layer neurons, which can be determined by the time series lag. Methods. To achieve the said goal, a set of benchmark time series for testing the forecasting accuracy is presented. Then, a set-up of the computational study for various versions of the LSTM network is defined. Finally, the computa tional study results are clearly visualized and discussed. Results. Time series with a linear trend are forecasted worst, whereas defining the LSTM layer size by the lag in a time series does not help much. The best-forecasted are time series with only repeated random subsequences, or seasonality, or exponential rising. Compared to the single LSTM layer network, the forecasting accuracy is improved by 15 % to 19 % by applying the two LSTM layers network. Conclusions. The approximately best forecasting accuracy may be expectedly achieved by setting the number of LSTM layer neurons at the time series lag. However, the best forecasting accuracy cannot be guaranteed. LSTM networks for time series forecasting can be optimized by using only two LSTM layers whose size is set at the time series lag. Some discrepancy is still acceptable, though. The size of the second LSTM layer should not be less than the size of the first layer.Документ Відкритий доступ Масовіддача за протитечії плівки рідини та газу у вертикальній трубі(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2021) Соломаха, А. С.; Барабаш, П. О.; Стринада, П. С.; Куделя, П. П.Проблематика. Контактні тепломасообмінні апарати застосовуються у багатьох технологічних процесах: охолодженні оборотної води або димових газів, зволоженні повітря у системах кондиціонування та ін. У найпоширеніших апаратах такого типу основними елементами є вертикальні труби, в яких плівка рідини стікає під дією гравітації назустріч потоку газу. Однак не існує універсальної залежності для розрахунку таких процесів. Мета дослідження. Дослідити процес масообміну при протитоковій взаємодії плівки води і повітря у вертикальній трубі до початку виникнення режиму захлинання. Методика реалізації. Було створено експериментальний стенд, в якому дослідною ділянкою слугувала труба внутрішнім діаметром 34 мм та довжиною 1,4 м. На вході та виході з труби вимірювали витрати повітря та води, температури по сухому та мокрому термометру. Змочування поверхні зрошення контролювали візуально через отвори для виходу парогазової суміші у верхній частині дослідної ділянки. Коефіцієнт масовіддачі визначали за спеціально розробленою методикою. Результати дослідження. Отримано експериментальні залежності для визначення коефіцієнту масовіддачі. Показано наявність впливу витрати води на коефіцієнт масовіддачі. Проаналізовано межі застосування аналогії між тепло- та масообміном. Висновки. Запропоновано зручну для інженерних розрахунків емпіричну залежність. Підтверджено надійність методики експерименту та обробки його результатів, що дозволяє використовувати методику для експериментального дослідження більш складних систем. У майбутніх дослідженнях планується більш детально дослідити вплив витрати рідини на процес масовіддачі.