Прогнозування довговічності металевих сплавів за малоциклового багатовісного навантаження
| dc.contributor.advisor | Шукаєв, Сергій Миколайович | |
| dc.contributor.author | Савчук, Євгеній Вікторович | |
| dc.date.accessioned | 2026-06-01T11:24:10Z | |
| dc.date.available | 2026-06-01T11:24:10Z | |
| dc.date.issued | 2026 | |
| dc.description.abstract | 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. | |
| dc.description.abstractother | Savchuk Y.V. Prediction of Fatigue Life of Metal Alloys Under Low-Cycle Multiaxial Loading. – Qualifying scientific work on the rights of a manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in 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 the prediction of the fatigue life of metallic materials under various conditions of low-cycle multiaxial loading. A comprehensive methodology for predicting the fatigue life of structural metals under conditions of low-cycle non-proportional loading has been successfully developed and implemented. This advanced approach is realized by synergistically combining the fundamental concept of the critical plane with a novel technique that involves the direct inclusion of specific parameters, which quantitatively characterize the degree of loading non-proportionality, into the structure of the governing criterion equation. Furthermore, a distinct and new non-proportionality parameter is proposed within the framework of this research. This parameter is fundamentally derived based on a comparative analysis of the specific parameters associated with two key critical planes: the plane characterized by maximum shear strains and the plane defined by maximum normal (linear) strains. In addition to the primary theoretical framework, a simplified model of low-cycle multiaxial fatigue has been created to address practical constraints. This simplified version effectively eliminates the strict requirement for conducting complex and resource-intensive non-proportional loading tests, thereby making the proposed method significantly more accessible and convenient for routine engineering applications and design calculations. In order to thoroughly validate the accuracy and reliability of the proposed prediction models, an extensive experimental dataset was systematically formed. This comprehensive database covers a diverse group of 15 distinct metal alloys and contains a total of 502 individual test results obtained across a wide spectrum of loading regimes, all of which have been carefully organized and systematized within the Microsoft Excel environment for further analysis. Validation results of the developed models confirmed improved accuracy in fatigue life prediction under non-proportional lowcycle loading. The dissertation consists of four chapters, in which the main results of the thesis are presented and substantiated. The introduction substantiates the relevance of the dissertation topic, defines the object, subject, aim, and tasks of the research, and provides information on research methods, scientific novelty, and the practical significance of the obtained results, as well as their connection to the department's research themes. Information regarding scientific publications on the dissertation topic and the approbation of the obtained results is presented, and the personal contribution of the applicant is outlined. Chapter 1, “Multiaxial Low-Cycle Fatigue of Metal Alloys: Experimental and Theoretical Analysis,” examines the operational features of structural elements under conditions of non-proportional low-cycle loading, comprehensively analyzes the fracture patterns of metal alloys under multiaxial low-cycle loading, and emphasizes its decisive role in ensuring the safety and reliability of engineering structures. A critical analysis of modern testing methods and the complex of factors influencing fatigue life is conducted, considering material characteristics, specifically the crystal lattice type, operating conditions, and practical application features. Furthermore, an overview of fundamental concepts of low-cycle fatigue, traditional analysis methods, data-driven approaches, and fatigue life prediction models is provided, along with their comparative assessment. Particular attention is paid to criteria formulated according to the critical plane approach, such as FatemiSocie, Brown-Miller, and others. A comparative analysis of fatigue life prediction models for multiaxial loading was performed. Such models as Wang-Brown, Fatemi-Socie, Smith-Watson-Topper, and Itoh were used in comparison. Based on the review, conclusions regarding the current state of the problem are formulated, promising directions for further research in the field of multiaxial low-cycle fatigue prediction are outlined, and the aim and tasks of this study are substantiated. Chapter 2, “Database of Experimental Results of Multiaxial Low-Cycle Fatigue,” is devoted to reviewing existing information resources containing experimental data on material fatigue and creating a proprietary database of experimental data on the multiaxial low-cycle fatigue of metal alloys. Despite the existence of several public and partially available datasets, their use for validating modern multiaxial fatigue criteria is significantly limited due to data incompleteness. This necessitated the creation of a proprietary database with a full set of accompanying parameters, ensuring reliable and reproducible verification of existing criteria and the development of new approaches to fatigue life assessment. The chapter describes the principles of formation and the structure of the dataset, which covers 15 metal alloys and contains 502 test results across a wide range of loading regimes, systematized using the Microsoft Excel environment. The main parameters necessary for the correct description of the loading process according to the methodology of testing tubular specimens for multiaxial low-cycle fatigue under proportional and non-proportional loading paths are defined. The created dataset can be used for the calibration, validation, and comparative analysis of modern multiaxial low-cycle fatigue models. Chapter 3, “Analysis of Parameters of Fatigue Life Prediction Models Under Multiaxial Fatigue,” analyzes the main parameters of classic multiaxial fatigue models and develops approaches for determining critical planes for nonproportional multiaxial loading conditions. It is shown that the determination of critical planes of maximum shear and maximum normal strains is expediently performed based on numerical discretization of the trajectory and scanning of plane orientations with subsequent calculation of ranges for each directly. This ensures the uniqueness and reproducibility of the result for a wide class of non-proportional trajectories. To assess the predictive significance of the parameters, Artificial Neural Networks (ANN) were applied in combination with the SHAP (SHapley Additive exPlanations) interpretation method. The database formed in Chapter 2, covering 15 metal alloys, was used for the analysis. It was established that the nonproportionality factor and the maximum normal and angular strains on critical planes are decisive for predicting fatigue life under non-proportional loads. It was established for the first time that the position of the critical plane of maximum normal strain depends on the level of plastic deformation and has a characteristic feature: there exists a range in which the critical plane of tension coincides with the critical plane of shear. For a circular trajectory, it is shown that in the elastic deformation zone, the critical plane of maximum normal strains does not coincide with the critical plane of maximum shear strains and has a noticeable angular displacement. Conversely, with increasing plastic deformation, these planes converge and may coincide under significant plastic deformations. Additionally, for trajectories with a phase shift, it is shown that there are specific ratios of axial and shear loading ranges at which the critical planes of maximum normal and shear strains coincide, and with increasing plastic deformations, the range of these ratios expands. Consequently, the orientation of the plane relevant to fracture processes changes with the transition to a more plastic regime, and this must be considered when building fatigue life models in the low-cycle fatigue domain. A new measure of loading non-proportionality is proposed for the first time, defined as the ratio of shear strain ranges acting on the critical plane of maximum shear strains and on the critical plane of maximum normal strain. Such a formulation directly links nonproportionality with parameters determined on critical planes and has a clear physical interpretation. Chapter 4, “Development of a Model for Assessing Fatigue Life Under Multiaxial Low-Cycle Loading,” improves the methodology for assessing the fatigue life of metal alloys under low-cycle multiaxial loading by combining the critical plane concept in the Fatemi-Socie formulation with the direct inclusion of parameters describing the measure of non-proportionality into the criterion equation. Unlike approaches where non-proportionality is accounted for indirectly, in the proposed methodology, the corresponding parameters are linked to the critical planes of maximum shear and normal strains and reflect the real features of the loading trajectory. The application of the non-proportionality parameter proposed in Chapter 3 demonstrates the best results in fatigue life prediction and allows the proposed model to be written in a reduced form. In addition, a simplified version of the model is considered, in which the critical plane parameter of normal strains is approximated using regression analysis for the investigated steels and alloys. This version of the model reduces the need for complex non-proportional loading tests, making it more accessible for engineering applications. Validation results of the proposed models confirmed their superior accuracy in predicting fatigue life under non-proportional low-cycle loading among all models considered. The General Conclusions, consisting of eight points, indicate the scientific and applied problems solved in the work and systematize the main scientific and practical results that reflect the fulfillment of the set tasks and the achievement of the dissertation's aim. | |
| dc.format.extent | 186 с. | |
| dc.identifier.citation | 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. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/81391 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | малоциклова втома | |
| dc.subject | непропорційне навантаження | |
| dc.subject | складне навантаження | |
| dc.subject | деформаційне зміцнення | |
| dc.subject | втомна довговічність | |
| dc.subject | проєктна довговічність | |
| dc.subject | металеві сплави | |
| dc.subject | напружено-деформований стан | |
| dc.subject | жорсткість напруженого стану | |
| dc.subject | критерії міцності | |
| dc.subject | критерії руйнування | |
| dc.subject | руйнування | |
| dc.subject | підхід критичної площини | |
| dc.subject | параметр пошкодження | |
| dc.subject | багатовісне навантаження | |
| dc.subject | low-cycle fatigue | |
| dc.subject | non-proportional loading | |
| dc.subject | complex loading | |
| dc.subject | strain hardening | |
| dc.subject | fatigue life | |
| dc.subject | design life | |
| dc.subject | metal alloys | |
| dc.subject | stress-strain state | |
| dc.subject | stiffness of the stress state | |
| dc.subject | strength criteria | |
| dc.subject | failure criteria | |
| dc.subject | destruction | |
| dc.subject | critical plane approach | |
| dc.subject | damage parameter | |
| dc.subject | multiaxial loading | |
| dc.subject.udc | 539.3/6 | |
| dc.title | Прогнозування довговічності металевих сплавів за малоциклового багатовісного навантаження | |
| dc.title.alternative | Prediction of Fatigue Life of Metal Alloys Under Low-Cycle Multiaxial Loading | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: