Підвищення ефективності використання гідроабразивного обладнання на основі нових технічних рішень

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorСаленко, Олександр Федорович
dc.contributor.authorСюе Сяньдін
dc.date.accessioned2026-08-24T13:57:44Z
dc.date.available2026-08-24T13:57:44Z
dc.date.issued2026
dc.description.abstractСюе 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.
dc.description.abstractotherXue Xiangding. Improving the efficiency of abrasive waterjet equipment based on new technical solutions. – Qualifying scientific manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in the field of knowledge 13 Mechanical Engineering, specialty 131 Applied Mechanics. National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2026. The dissertation is devoted to solving a relevant scientific-applied problem – improving the efficiency of abrasive waterjet equipment in the processing of carbon fiber reinforced plastics (CFRP) by optimizing technological parameters and developing a new support structure for suppressing reflected damage. Due to their high specific strength, low density, and corrosion resistance, CFRPs are widely used in aerospace, automotive, and shipbuilding industries. Abrasive waterjet (AWJ) cutting is one of the most promising methods for processing these materials due to the absence of thermal effects and high adaptability to complex geometric shapes. However, the presence of typical defects such as delamination, fiber pull-out, matrix erosion, and abrasive embedment, as well as the problem of reflected damage from the penetrating jet, significantly limit the application of AWJ for manufacturing critical components. A thorough analysis of the current state of research in the field of abrasive waterjet cutting of composite materials is performed. The mechanisms of material removal, energy aspects of the process, regularities of cut surface formation, as well as strategies for optimizing technological parameters are considered. It is shown that existing research is focused mainly on macroscale modeling and parametric experiments, while the issues of quantitative description of the "just-through" critical state and the mechanisms of secondary damage from the reflected jet remain insufficiently studied. Based on the analysis, the main hypothesis of the research is formulated: the efficiency of using abrasive waterjet equipment in CFRP processing can be significantly increased by precise regulation of the energy balance in the cutting zone and the development of structural measures to eliminate the influence of the reflected jet. The mechanisms of energy dissipation in abrasive waterjet cutting of CFRP are revealed. Based on the law of energy conservation, the concept of the energy dissipation coefficient is introduced, which characterizes the fraction of energy expended on material destruction at different cutting depths. It is established that the feed rate is a key factor determining energy efficiency: reducing the feed rate leads to an increase in the specific energy introduced into the material and, consequently, to an increase in cutting depth and improvement in surface quality. A model for estimating the critical energy required for through-cutting of the material is proposed, which takes into account the thickness of the workpiece, the volume fraction of fibers, the energy intensity of fiber and matrix destruction, as well as the energy of interfacial surface opening. The mechanism of stress wave propagation in abrasive waterjet cutting of CFRP is investigated. Based on the theory of elastic waves, the propagation velocities of longitudinal and transverse waves in the material are determined, taking into account its anisotropy. The coefficients of reflection and transmission of waves at interlaminar boundaries are calculated, which allows establishing the conditions for the occurrence of tensile stresses that are the root cause of delamination. It is shown that the intensity of delamination depends on the amplitude of the incident wave, which is determined by the jet pressure, and the strength of the interlaminar bond. The regularities of the behavior of the reflected jet after penetrating through the material are established. Based on the analysis of the residual energy of the penetrating jet and its distribution upon reflection from the support structure, it is shown that traditional flat supports have a reflection efficiency coefficient of 0.3–0.5, which leads to significant secondary damage to the already machined surface. A new guiding support structure is developed that implements the "adsorption-guiding-dissipation" principle. The structure consists of three functional zones: an upper cup-shaped surface with annular drainage holes, which ensures wall-adjacent fluid flow; a middle buffer chamber for preliminary energy dissipation; a lower Venturi ejection mechanism that creates a vacuum and removes residual fluid into a collection system. Numerical simulation of the hydrodynamic characteristics of the proposed support structure is performed using the ANSYS Fluent software package. The simulation is based on the Volume of Fluid (VOF) method for tracking free surface motion and accounting for phase interaction. It is established that the proposed structure provides a reduction in the peak velocity of the reflected jet by 35%, droplet rise height by 40%, and radial spread radius by 30% compared to the traditional support structure. Strength calculations of the main structural elements are performed, which confirm its operability with a multiple safety margin. An experimental research methodology is developed, which includes the manufacturing of CFRP specimens based on T300 fiber and epoxy matrix, conducting an orthogonal experiment according to the L9(34) scheme with variation of jet pressure, feed rate, standoff distance, and abrasive flow rate, as well as measuring cutting depth, surface roughness, and cut taper. Experimental studies confirm that the feed rate is the most influential factor for all investigated quality indicators. Based on experimental data, regression models for predicting cutting depth and surface roughness are constructed in the form of power functions. The coefficients of determination of the models are 0.933 and 0.941, respectively, indicating high prediction accuracy. Using multi-criteria optimization, the optimal technological parameters ensuring the "just-through" condition for a 3 mm thick workpiece are determined: jet pressure 285 MPa, feed rate 105 mm/min, standoff distance 3.2 mm, abrasive flow rate 95 g/min. Under these parameters, the predicted surface roughness is 3.76 mkm, and the cut taper is 0.28°. Experimental verification of the proposed guiding support structure is performed. The results of comparative tests show that when using a traditional support, significant reflected damage in the form of a deep crater is observed on the back surface of the specimen, whereas when using the developed structure, there are no visible traces of secondary damage. This confirms the effectiveness of the proposed technical solution and its suitability for practical application. A frequency analysis of the cut surface morphology is performed using the Fourier transform. It is established that the low-frequency component (0–10 mm-1) corresponds to vibrations of the cutting system, the mid-frequency component (10–40 mm-1) corresponds to jet oscillations associated with the reflected flow, and the high-frequency component (above 50 mm-1) corresponds to micro-cutting by abrasive particles. For optimal technological parameters, a reduction in the dominant frequency of the cut profile is predicted, which corresponds to an increase in the quality of the machined surface. A comprehensive methodology for assessing the quality of CFRP cutting is developed, which covers geometric accuracy (cut width, taper, straightness), surface quality (roughness Ra, Rz, Rq), and degree of damage (delamination coefficient, fiber pull-out length, matrix erosion depth, abrasive embedment density). Based on the analytic hierarchy process, a comprehensive assessment model is constructed that allows obtaining a generalized quality indicator for comparing different processing modes. The work employs a set of modern research methods: theoretical – analytical modeling of energy dissipation processes, stress wave propagation, and two-phase flow hydrodynamics; numerical – simulation using ANSYS Fluent to study the characteristics of the guiding support structure; experimental – orthogonal experiment design, mechanical testing, surface profilometry, spectral analysis. The scientific novelty of the obtained results lies in establishing quantitative regularities of energy dissipation in abrasive waterjet cutting of CFRP, developing a model of critical energy for the "just-through" condition, identifying the mechanism of reflected damage and substantiating the principles of its suppression using a guiding support structure, as well as in creating a comprehensive methodology for assessing processing quality. The practical significance of the obtained results lies in the development of an engineering methodology for selecting optimal technological parameters for abrasive waterjet cutting of CFRP, creating a guiding support structure for suppressing reflected damage, and forming a system of indicators for assessing the processing quality of composite materials. The results of the work can be implemented at enterprises in the aerospace and automotive industries that use abrasive waterjet cutting for processing CFRP components.
dc.format.extent132 с.
dc.identifier.citationСюе Сяньдін. Підвищення ефективності використання гідроабразивного обладнання на основі нових технічних рішень : дис. … д-ра філософії : 131 – Прикладна механіка / Сюе Сяньдін. – Київ, 2026. – 132 с.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/82689
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectвуглепластик
dc.subjectCFRP
dc.subjectгідроабразивне різання
dc.subjectAWJ
dc.subjectенергетична дисипація
dc.subjectвідбиті пошкодження
dc.subjectнаправляюча опорна конструкція
dc.subjectоптимізація технологічних параметрів
dc.subjectcarbon fiber reinforced plastic
dc.subjectabrasive waterjet cutting
dc.subjectenergy dissipation
dc.subjectreflected damage
dc.subjectguiding support structure
dc.subjectoptimization of technological parameters
dc.subject.udc621.9
dc.titleПідвищення ефективності використання гідроабразивного обладнання на основі нових технічних рішень
dc.title.alternativeImproving the efficiency of abrasive waterjet equipment based on new technical solutions
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Xue_Xiangding_dys.pdf
Розмір:
4.47 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (ККМ)
Дисертації (вільний доступ)