Прогнозування довговічності металевих сплавів за малоциклового багатовісного навантаження
Вантажиться...
Дата
2026
Автори
Савчук, Євгеній Вікторович
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Савчук Є.В. Прогнозування довговічності металевих сплавів за малоциклового багатовісного навантаження. Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії в галузі знань 13 – Механічна інженерія за спеціальністю 131 – Прикладна механіка. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026.
Дисертація присвячена прогнозуванню довговічності металевих матеріалів за різних умов малоциклового багатовісного навантаження. Розроблено методику прогнозування довговічності металів за умов малоциклового непропорційного навантаження шляхом об'єднання концепції критичної площини з підходом прямого включення у критеріальне рівняння параметрів, що характеризують міру непропорційності навантаження. Запропоновано новий параметр непропорційності, що базується на параметрах критичних площин максимальних зсувних і лінійних деформацій. Створено спрощену модель малоциклової багатовісної втоми, яка не потребує складних випробувань на непропорційне навантаження, що робить її більш доступною для інженерних застосувань. Для валідації запропонованих моделей прогнозування сформовано дата-сет, який охоплює 15 металевих сплавів і містить 502 результати випробувань у широкому діапазоні режимів навантаження, систематизованих у середовищі Microsoft Excel. Результати валідації розроблених моделей підтвердили підвищену точність прогнозування довговічності за непропорційного малоциклового навантаження. Дисертація містить чотири розділи, у яких викладено та обґрунтовано основні результати дисертації. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначено об’єкт, предмет, мету та завдання дослідження, надано інформацію про методи дослідження, наукову новизну та практичне значення одержаних результатів, зв'язок з науково-дослідною тематикою кафедри. Наведено відомості про наукові публікації за темою дисертації та апробацію отриманих результатів, окреслено особистий внесок здобувача. У першому розділі «Багатовісна малоциклова втома металевих сплавів: експериментальний і теоретичний аналіз» розглянуто особливості роботи елементів конструкцій в умовах непропорційного малоциклового навантаження, всебічно проаналізовано закономірності руйнування металевих сплавів в умовах багатовісного малоциклового навантаження та підкреслено його визначальну роль у забезпеченні безпеки та надійності інженерних конструкцій. Проведено критичний аналіз сучасних методів випробувань і комплексу чинників, що впливають на довговічність, з урахуванням характеристик матеріалів, зокрема типу кристалічної ґратки, умов експлуатації та особливостей практичного застосування. Крім того, надано огляд фундаментальних концепцій малоциклової втоми, традиційних методів аналізу, підходів на основі даних, моделей прогнозування довговічності та їх порівняльну оцінку. Особлива увага приділена критеріям, що формулюються відповідно до підходу критичної площини, таким як Фатемі-Сосі, БраунаМіллера та ін. Виконано порівняльний аналіз моделей прогнозування довговічності за багатовісного навантаження: Ванга-Брауна, Фатемі-Сосі, Смітта – Ватсона – Топпера та Іто. За результатами огляду сформульовано висновки щодо сучасного стану проблеми та окреслено перспективні напрями подальших досліджень у галузі прогнозування багатовісної малоциклової втоми, а також обґрунтовано мету і завдання цього дослідження. Другий розділ «База даних результатів експериментальних досліджень багатовісної малоциклової втоми» присвячено огляду наявних інформаційних ресурсів, які містять експериментальні дані зі втоми матеріалів, і створенню власної бази експериментальних даних з багатовісної малоциклової втоми металевих сплавів. Попри наявність низки публічних і частково доступних дата-сетів, їх використання для валідації сучасних критеріїв багатовісної втоми суттєво обмежене через неповноту даних. Це зумовило необхідність створення власної бази даних із повним набором супровідних параметрів, що забезпечує надійну та відтворювану перевірку наявних критеріїв і розроблення нових підходів до оцінювання довговічності. У розділі описано принципи формування та структуру дата-сету, який охоплює 15 металевих сплавів і містить 502 результати випробувань у широкому діапазоні режимів навантаження, систематизованих із використанням середовища Microsoft Excel. Визначено основні параметри, необхідні для коректного опису процесу навантажування відповідно до методики випробувань трубчастих зразків на багатовісну малоциклову втому за пропорційних і непропорційних траєкторій навантаження. Створений дата-сет може бути використаний для калібрування, валідації та порівняльного аналізу сучасних моделей багатовісної малоциклової втоми. У третьому розділі «Аналіз параметрів моделей прогнозування довговічності за багатовісної втоми» проаналізовано основні параметри класичних моделей багатовісної втоми, розвинуто підходи до визначення критичних площин для умов непропорційного багатовісного навантаження. Показано, що визначення критичних площин максимальних зсувних і максимальних лінійних деформацій доцільно виконувати на основі чисельної дискретизації траєкторії та перебору орієнтацій площин із подальшим обчисленням розмахів для кожної безпосередньо. Це забезпечує однозначність і відтворюваність результату для широкого класу непропорційних траєкторій. Для оцінювання прогностичної значущості параметрів застосовано штучні нейронні мережі у поєднанні з методом інтерпретації SHAP (SHapley Additive exPlanations). Для аналізу використано сформовану в розділі 2 базу даних, що охоплює 15 металевих сплавів. Встановлено, що визначальними для прогнозування довговічності за непропорційних навантажень є коефіцієнт непропорційності та максимальні лінійні і кутові деформації на критичних площинах. Вперше встановлено, що положення критичної площини максимальної лінійної деформації залежить від рівня пластичної деформації та має характерну особливість: існує діапазон, у якому критична площина розтягу збігається з критичною площиною зсуву. Для колової траєкторії показано, що в зоні пружної деформації критична площина максимальних лінійних деформацій не збігається з критичною площиною максимальних зсувних деформацій та має помітне кутове зміщення. Натомість зі зростанням пластичної деформації ці площини зближуються і за значних пластичних деформацій можуть збігатися. Крім того, для траєкторій зі зсувом фаз показано, що існують такі співвідношення розмахів осьових та зсувних навантажень, за яких критичні площини максимальних лінійних та зсувних деформацій збігаються, а зі зростанням пластичних деформацій діапазон цих співвідношень розширюється. Отже, орієнтація площини, що є релевантною для процесів руйнування, змінюється із переходом до більш пластичного режиму, і це має враховуватися під час побудови моделей довговічності в області малоциклової втоми. Вперше запропоновано нову міру непропорційності навантаження, яка визначається як відношення розмахів деформацій зсуву, що діють на критичній площині максимальних зсувних деформацій і на критичній площині максимальної лінійної деформації. Таке формулювання безпосередньо пов’язує непропорційність із параметрами, які визначаються на критичних площинах, і має зрозумілу фізичну інтерпретацію. У четвертому розділі «Розробка моделі для оцінювання довговічності за багатовісного малоциклового навантаження» удосконалено методику оцінювання довговічності металевих сплавів за малоциклового багатовісного навантаження шляхом об’єднання концепції критичної площини у формулюванні Фатемі–Сосі з безпосереднім включенням у критеріальне рівняння параметрів, що описують міру непропорційності. На відміну від підходів, де непропорційність враховується опосередковано, у запропонованій методиці відповідні параметри пов’язані з критичними площинами максимальних зсувних і лінійних деформацій та відображають реальні особливості траєкторії навантажування. Застосування, запропонованого в розділі 3, параметра непропорційності демонструє найкращі результати передбачення довговічності, та дозволяє записати запропоновану модель у редукованій формі. Крім того, розглянуто спрощений варіант моделі, в якій параметр критичної площини лінійних деформацій апроксимовано за допомогою регресійного аналізу для досліджуваних сталей і сплавів. Такий варіант моделі зменшує потребу в складних випробуваннях на непропорційне навантаження, що робить її більш доступною для інженерних застосувань. Результати валідації запропонованих моделей підтвердили їх підвищену точність прогнозування довговічності за непропорційного малоциклового навантаження серед усіх розглянутих моделей. У загальних висновках, що складаються з восьми пунктів, зазначені науково-прикладні проблеми, розв’язані в роботі, та систематизовано основні наукові й практичні результати, які відображають виконання поставлених завдань і досягнення мети дисертації.
Опис
Ключові слова
малоциклова втома, непропорційне навантаження, складне навантаження, деформаційне зміцнення, втомна довговічність, проєктна довговічність, металеві сплави, напружено-деформований стан, жорсткість напруженого стану, критерії міцності, критерії руйнування, руйнування, підхід критичної площини, параметр пошкодження, багатовісне навантаження, low-cycle fatigue, non-proportional loading, complex loading, strain hardening, fatigue life, design life, metal alloys, stress-strain state, stiffness of the stress state, strength criteria, failure criteria, destruction, critical plane approach, damage parameter, multiaxial loading
Бібліографічний опис
Савчук, Є. В. Прогнозування довговічності металевих сплавів за малоциклового багатовісного навантаження : дис. … д-ра філософії : 131 Прикладна механіка / Савчук Євгеній Вікторович. – Київ, 2026. – 186 с.