Підвищення ефективності використання гідроабразивного обладнання на основі нових технічних рішень
Вантажиться...
Дата
2026
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Сюе Сяньдін.Підвищення ефективності використання гідроабразивного обладнання на основі нових технічних рішень. – Кваліфікаційна праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії з галузі знань 13 Механічна інженерія 131 Прикладна механіка. Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026.
Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної науково-прикладної задачі – підвищення ефективності використання гідроабразивного обладнання при обробці вуглепластиків (CFRP) шляхом оптимізації технологічних параметрів та розробки нової опорної конструкції для пригнічення відбитих пошкоджень. Вуглепластики завдяки своїй високій питомій міцності, низькій щільності та корозійній стійкості широко застосовуються в аерокосмічній, автомобільній та суднобудівній промисловості. Гідроабразивне різання (AWJ) є одним із найбільш перспективних методів обробки цих матеріалів завдяки відсутності термічного впливу та високій адаптивності до складних геометричних форм. Однак наявність типових дефектів, таких як розшарування, висмикування волокон, ерозія матриці та впровадження абразиву, а також проблема відбитих пошкоджень від проникного струменя суттєво обмежують застосування AWJ для виготовлення відповідальних деталей. У роботі виконано ґрунтовний аналіз сучасного стану досліджень у галузі гідроабразивного різання композиційних матеріалів. Розглянуто механізми видалення матеріалу, енергетичні аспекти процесу, закономірності формування поверхні різу, а також стратегії оптимізації технологічних параметрів. Показано, що існуючі дослідження зосереджені переважно на макромасштабному моделюванні та параметричних експериментах, тоді як питання кількісного опису критичного стану «якраз наскрізь» та механізми вторинних пошкоджень від відбитого струменя залишаються недостатньо вивченими. На основі виконаного аналізу сформульовано основну гіпотезу дослідження: ефективність використання гідроабразивного обладнання при обробці CFRP можна суттєво підвищити шляхом точного регулювання енергетичного балансу в зоні різання та розробки конструктивних заходів для усунення впливу відбитого струменя. Розкрито механізми енергетичної дисипації при гідроабразивному різанні CFRP. На основі закону збереження енергії введено поняття коефіцієнта дисипації енергії, який характеризує частку енергії, витраченої на руйнування матеріалу на різній глибині різання. Встановлено, що швидкість подачі є ключовим фактором, що визначає ефективність використання енергії: зменшення швидкості подачі призводить до збільшення питомої енергії, що вноситься в матеріал, і, відповідно, до зростання глибини різання та покращення якості поверхні. Запропоновано модель оцінки критичної енергії, необхідної для наскрізного різання матеріалу, яка враховує товщину заготовки, об'ємну частку волокон, енергоємність руйнування волокон і матриці, а також енергію розкриття міжфазної поверхні. Досліджено механізм поширення хвиль напружень при гідроабразивному різанні CFRP. На основі теорії пружних хвиль визначено швидкості поширення поздовжніх і поперечних хвиль у матеріалі з урахуванням його анізотропії. Розраховано коефіцієнти відбиття та проходження хвиль на міжшарових межах, що дозволило встановити умови виникнення розтягуючих напружень, які є першопричиною розшарування. Показано, що інтенсивність розшарування залежить від амплітуди падаючої хвилі, яка визначається тиском струменя, та міцності міжшарового зв'язку. Встановлено закономірності поведінки відбитого струменя після проникнення через матеріал. На основі аналізу залишкової енергії проникного струменя та її розподілу при відбитті від опорної конструкції показано, що традиційні плоскі опори мають коефіцієнт ефективності відбиття 0,3–0,5, що призводить до значного вторинного ураження вже обробленої поверхні. Розроблено нову направляючу опорну конструкцію, що реалізує принцип «адсорбція-направлення-дисипація». Конструкція складається з трьох функціональних зон: верхньої чашоподібної поверхні з кільцевими дренажними отворами, яка забезпечує пристінне течію рідини; середньої буферної камери для попереднього розсіювання енергії; нижнього ежекційного механізму Вентурі, який створює розрідження та відводить залишкову рідину в систему збору. Проведено чисельне моделювання гідродинамічних характеристик запропонованої опорної конструкції з використанням програмного комплексу ANSYS Fluent. Моделювання базувалося на методі об'єму рідини (VOF) для відстеження руху вільних поверхонь та обліку взаємодії фаз. Встановлено, що запропонована конструкція забезпечує зниження пікової швидкості відбитого струменя на 35%, висоти підйому крапель на 40% та радіусу радіального поширення на 30% порівняно з традиційною опорною конструкцією. Виконано розрахунки на міцність основних елементів конструкції, які підтвердили її працездатність при багаторазовому запасі міцності. Розроблено методику експериментальних досліджень, що включала виготовлення зразків з CFRP на основі волокна T300 та епоксидної матриці, проведення ортогонального експерименту за схемою L9(34) з варіюванням тиску струменя, швидкості подачі, відстані до зразка та витрати абразиву, а також вимірювання глибини різання, шорсткості поверхні та конусності різу. Експериментальні дослідження підтвердили, що швидкість подачі є найбільш впливовим фактором для всіх досліджуваних показників якості. На основі експериментальних даних побудовано регресійні моделі для прогнозування глибини різання та шорсткості поверхні, які мають вигляд статечних функцій. Коефіцієнти детермінації моделей становлять 0,933 та 0,941 відповідно, що свідчить про високу точність прогнозування. За допомогою багатокритеріальної оптимізації визначено оптимальні технологічні параметри, що забезпечують умову «якраз наскрізь» для заготовки товщиною 3 мм: тиск струменя 285 МПа, швидкість подачі 105 мм/хв, відстань до зразка 3,2 мм, витрата абразиву 95 г/хв. При цих параметрах прогнозована шорсткість поверхні становить 3,76 мкм, а конусність різу – 0,28°. Проведено експериментальну верифікацію запропонованої направляючої опорної конструкції. Результати порівняльних випробувань показали, що при використанні традиційної опори на тильній поверхні зразка спостерігаються значні відбиті пошкодження у вигляді глибокої вирви, тоді як із застосуванням розробленої конструкції візуально відсутні будь-які сліди вторинного ураження. Це підтверджує ефективність запропонованого технічного рішення та його придатність для практичного застосування. Виконано частотний аналіз морфології поверхні різу з використанням перетворення Фур'є. Встановлено, що низькочастотна складова (0–10 мм-1) відповідає вібраціям різальної системи, середньочастотна (10–40 мм-1) – осциляціям струменя, пов'язаним з відбитим потоком, а високочастотна (понад 50 мм-1) – мікрорізанню абразивними частинками. Для оптимальних технологічних параметрів спрогнозовано зниження домінантної частоти профілю різу, що відповідає підвищенню якості обробленої поверхні. Розроблено комплексну методику оцінки якості різання CFRP, яка охоплює геометричну точність (ширина різу, конусність, прямолінійність), якість поверхні (шорсткість Ra, Rz, Rq) та ступінь пошкодження (коефіцієнт розшарування, довжина висмикування волокон, глибина ерозії матриці, щільність впровадження абразиву). На основі методу аналізу ієрархій побудовано модель комплексного оцінювання, що дозволяє отримувати узагальнений показник якості для порівняння різних режимів обробки. У роботі використано комплекс сучасних методів дослідження: теоретичні – аналітичне моделювання процесів енергетичної дисипації, поширення хвиль напружень та гідродинаміки двофазних потоків; чисельні – моделювання з використанням ANSYS Fluent для дослідження характеристик направляючої опорної конструкції; експериментальні – ортогональне планування експерименту, механічні випробування, профілометрія поверхонь, спектральний аналіз. Наукова новизна одержаних результатів полягає у встановленні кількісних закономірностей енергетичної дисипації при гідроабразивному різанні CFRP, розробці моделі критичної енергії для умови «якраз наскрізь», виявленні механізму відбитих пошкоджень та обґрунтуванні принципів їх пригнічення за допомогою направляючої опорної конструкції, а також у створенні комплексної методики оцінки якості обробки. Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці інженерної методики вибору оптимальних технологічних параметрів гідроабразивного різання CFRP, створенні конструкції направляючої опори для пригнічення відбитих пошкоджень, а також у формуванні системи показників для оцінки якості обробки композиційних матеріалів. Результати роботи можуть бути впроваджені на підприємствах аерокосмічної та автомобільної промисловості, що використовують гідроабразивне різання для обробки деталей з вуглепластиків.
Опис
Ключові слова
вуглепластик, CFRP, гідроабразивне різання, AWJ, енергетична дисипація, відбиті пошкодження, направляюча опорна конструкція, оптимізація технологічних параметрів, carbon fiber reinforced plastic, abrasive waterjet cutting, energy dissipation, reflected damage, guiding support structure, optimization of technological parameters
Бібліографічний опис
Сюе Сяньдін. Підвищення ефективності використання гідроабразивного обладнання на основі нових технічних рішень : дис. … д-ра філософії : 131 – Прикладна механіка / Сюе Сяньдін. – Київ, 2026. – 132 с.