Наукові напрямки 2017/18

І. Фундаментальні наукові дослідження

Пріоритетний напрям 1. Фундаментальні наукові дослідження з найбільш важливих проблем розвитку науково-технічного, соціально-економічного, суспільно-політичного, людського потенціалу для забезпечення конкурентоспроможності  України та сталого розвитку суспільства і держави

Найважливіші проблеми фізико-математичних і технічних наук

У даному напрямку інститутом у 2017р. виконувалось 4 НДР.

 У звітному році з використанням результатів виконаних робіт видано: 1 монографія, 3-- навчальних посібника, 1 підручник, захищена 1 докторська дисертація, 1 кандидатська дисертація (3 підготовлено до захисту), опубліковано 40 статей у фахових виданнях , зроблено 200 доповідей на конференціях в т.ч. 150 на міжнародних, отримано - 10 патентів України. До виконання залучалось 10 - студентів. За результатами наукових досліджень студентами захищено 25 магістерських робіт, 7 дипломних проекта спеціаліста.

 а) Результати по закінчених у 2017  році науково-дослідних роботах

 2872-ф «Розроблення узагальненого методу прогнозування ресурсу експлуатації конструкцій із композиційних матеріалів при складному навантаженні з урахуванням пошкоджуваності» (механіко-машинобудівний інститут, керівник М.І. Бобир

Розроблено узагальнену феноменологічну модель (рівняння стану та кінетичне рівняння пошкоджуваності), які враховують основні параметри нестаціонарного експлуатаційного навантаження (анізотропію механічних характеристик, вид напруженого стану, знак першого інваріанту тензора напружень та історію складного навантаження). Вперше на базі основних положень термодинаміки незворотних процесів, континуальної механіки пошкоджуваності, теорії ймовірностей, математичної статистики розроблено узагальнений енергетичний критерій руйнування для анізотропного композиційного матеріалу, який враховує основні фактори складного нестаціонарного експлуатаційного навантаження та обґрунтовано границі його використання. Проведено теоретичні та експериментальні дослідження границь використання розробленої узагальненої моделі для умов складного технологічного та експлуатаційного процесів навантажень з врахуванням анізотропії КМ. Розроблено комплексний розрахунково-експериментального метод діагностики технічного стану та прогнозування ресурсу відповідальних елементів конструкцій Розроблено комплекс рекомендацій по оптимізації технологій виготовлення з`єднань конструктивних елементів із КМ, які забезпечують задану міцність та довговічність по параметру складного малоциклового нестаціонарного навантаження.

 

2828 ф «Основи теорії проектування різальних інструментів для високошвидкісної обробки» (механіко-машинобудівний інститут, керівник Н.С. Равська)

Розроблені основи теорії проектування різальних інструментів для високошвидкісної обробки на основі визначення макро- та мікрогеометрії різальної кромки. Встановлені умови формоутворення різальної кромки для різних видів інструменту та оброблюваних матеріалів, зокрема титану, твердого сплаву, швидкорізальної сталі, конструкційних сталей та сталей аустенітного класу.

На основі аналізу впливу умов експлуатації інструменту та стану контактуючих поверхонь інструменту з оброблюваним матеріалом встановлені нові уявлення про фізику процесe різання при високошвидкісній чистовій та чорновій обробках. В роботі розглянута геометрія різальної кромки для різних видів обробки різанням. Вирішена задача рекоментацій з вибору К-фактору, який характеризує форму та несиметричність заокруглення різальних кромок в залежності від типу і конструкції інструменту та інструментального матеріалу, а також особливостей підготовки кромки для забезпечення необхідного значення К-фактору для різних матеріалів, та підготовки кромки, яка забезпечує необхідне значення К-фактору. Встановлені кінематичні закони формоутворення різальної кромки.

Показано, що вибір К-фактора та забезпечення радіуса округлення різальної кромки залежить від виду оброблюваного та інструментального матеріалів, а також від рекомендованої геометрії для заданого виду обробки. Визначені регламенти зміцнювальної приробітки інструменту при МАО.

На основі 3-D моделювання з використання LS-DYNA розроблена методика прогнозування і діагностики напруженого стану та працездатності різальної частини інструменту. В процесі виконання роботи експериментально підтверджено теоретичні розробки.

 

б) наукові результати отримані в результаті виконання перехідних науково-дослідних робіт

2906 ф “Створення методів проектування процесів формоутворення конструкцій машинобудування при в’язкопластичному деформуванні гомогенних, евтектичнозміцнених та порошкових матеріалів” механіко-машинобудівний інститут, кафедра механіки пластичності матеріалів та ресурсозберігаючих процесів, керівник Тітов В.А.)

Створено моделі в’язкопластичного деформування типових матеріалів. Сформульовано закономірності впливу температурного та швидкісного факторів структури матеріалу, а також розроблено схеми напружено-деформованого стану на граничні деформації зсуву (по В.Л. Колмогорову). Викладено залежність геометричних параметрів інструментального оснащення на енергосилові параметри типових процесів формоутворення евтектичнозміцнених матеріалів. Створено закономірність впливу амплітуди та форми ультразвукових коливань на градієнтну структуру титанових сплавів, евтектичних титанових та порошкових матеріалів. Створено математичні моделі формоутворення порошкових матеріалів в умовах в’язкопластичного деформування з активними силами тертя.

 

2912-ф Теорія кінематики та динамічних робочих процесів обробки
 небезпечних об’єктів мобільними верстатами-роботами
(керівник Струтинський В.Б.)

Процес обробки об’єктів мобільними верстатами-роботами має свої особливості. Для їх встановлення розроблена спеціальна методика, яка включає прогнозні моделі динамічних властивостей мобільних верстатів-роботів.

Запропоновано опис зміни площі зрізуваного шару є основною складовою запропонованої матрично-векторної математичної моделі процесу просторового різання на мобільних верстатах-роботах. Розроблена математична модель просторового різання використана для побудови прогнозних моделей динамічних властивостей мобільних верстатах-роботах.

Проведено експериментальні та теоретичні дослідження динамічних характеристик мобільних верстатів-роботів. Для цього розроблене відповідне обладнання та укомплектована апаратура. Експериментально визначено динамічні характеристики мобільних верстатів-роботів, зокрема встановлені параметри згинально-крутильних коливань несучої системи верстата та випадкових вібраційних переміщеннях, спричинених процесами просторового різання. Здійснено теоретичний опис випадкового вектора сили різання із застосуванням емпіричної лінійної динамічної моделі твердого тіла. В абсолютній системі координат дана модель подана у матрично-векторному вигляді. Виконано порівняння теоретичних і експериментальних результатів. Встановлена їх відповідність. Уточнені припущення, прийняті при розробці моделей.

Встановлено, що значення випадкових сил різання мають вигляд полігармонічних випадкових процесів із локальними викидами, обумовленими параметричними резонансами в кінематичних ланцюгах верстата. Амплітуда викидів суттєво перевищує середні значення процесів. Надано рекомендації по зменшенню негативного впливу змін модуля сили різання на динамічну систему верстата.

 

а) Результати по закінчених у 2017  році науково-дослідних роботах

 Нові речовини і матеріали

 Створення та застосування технологій отримання, зварювання, з’єднання та оброблення конструкційних, функціональних i композиційних матеріалів

 2913-п «Поліпшення результатів лазерної обробки (легування, наплавлення, Rapid Prototyping) керованими параметрами потоку газопорошкової суміші» (механіко-машинобудівний інститут, кафедра лазерної техніки та фізико-технічних технологій, керівник-Коваленко В.С.)

Проведено чисельне моделювання процесу та встановлений зв’язок між параметрами ГПС та системами постачання порошку в місце дії сфокусованого лазерного випромінювання. Розроблені нові види систем постачання ГПС в зону дії сфокусованого лазерного випромінювання.

Розроблено технологію лазерної газопорошкової наплавки з використанням оригінальних пристроїв постачання газопорошкової суміші в зону дії сфокусованого лазерного випромінювання. Оригінальність розроблених конструкцій підтверджена патентом України на винахід. Розроблені системи подачі газопорошкової суміші в зону дії сфокусованого лазерного випромінювання можливо використовувати в різноманітних лазерних технологічних комплексах, в яких пляма фокусування лазерного випромінювання на поверхні деталі, яка обробляється, має круглий або прямокутний поперечний переріз. Розроблені багатоканальні системи дозволяють одночасно подавати в зону дії сфокусованого лазерного випромінювання декілька різноманітних порошкових сумішей (з різним хімічним та фракційним складом). В даному випадку, при їх застосуванні, з’являється можливість змінювати не тільки хімічний склад наплавленого валка, але й його поперечну форму. Розроблені багатоканальні системи подачі порошкового матеріалу в зону дії сфокусованого випромінювання дозволяють вести процес лазерного газопорошкового наплавлення на поверхні, які встановлені під кутом (майже 900) до горизонту, що не можливо при використанні звичайних, коаксіальних систем. Встановлені оптимальні технологічні параметри процесу

 

 2925 п «Розробка технології та обладнання для профілювання гвинтоподібних та ребристих труб та створення  високоефективних теплообмінників» (Механіко - машинобудівний інститут, керівник проф. Бобир М.І. )

Розроблено новітні технологію та обладнання для профілювання ефективних поверхонь теплообміну  у вигляді гвинтоподібних та ребристих  труб, створенні на їх основі теплообмінників з високою ступеню регенерації, встановлені оптимальні геометричні  характеристики гвинтових труб та пакетів з таких труб. Заміна круглих труб гвинтоподібними в якості теплообмінних поверхонь регенераторів та підігрівачів газу газотурбінних установок (ГТУ) забезпечить зниження масогабаритних показників на 30-40%. та підвищення к.к.д. ГТУ з 18—25% до 38-41%. При цьому, розроблено технологію та обладнання для пластичного формування гвинтоподібних труб та виготовлений діючий макет теплообмінника. Загальний ефект від використання розробки може становити до 25 - 30% економії газу, який використовується в ГТУ для перекачування.  Запропоновані  технології профілювання труб, обладнання та оснащення мають високу ступінь готовності, за більшістю параметрів знаходяться на світовому рівні. В результаті виконання роботи розроблено технологію та оснащення для масового виробництва багато роликовим обкочуванням гвинтоподібних латунних трубок діаметром 14-20 мм довжиною до 2 м з гвинтовими канавками оптимальних розмірів:  глибиною h= 1,0 -1,5 мм та кроком t=8 …12 мм. Чисельним моделюванням та експериментальними дослідженнями встановлено, що  такі параметри забезпечують  приграничну турбулізацію однофазного теплоносія та збільшення теплопередачі приблизно в 1,5 рази. Для досягнення високої ефективності теплообміну необхідно штучно турбулізувати пристінковий шар товщиною до 5% від радіусу труби.

 

 

 б) найважливіші наукові результати отримані в результаті виконання перехідних науково-дослідних робіт

Нові речовини і матеріали

 Створення та застосування технологій отримання, зварювання, з’єднання та оброблення конструкційних, функціональних i композиційних матеріалів

 2017п  «Інноваційні технології та верстатно-інструментальне оснащення високопродуктивної обробки різанням сучасних конструкційних матеріалів» (Механіко-машинобудівний інститут, керівник Петраков Ю.В., виконавці – проф. Пасічник В.А., проф. Данильченко Ю.М.

Запропонована удосконалена схема оброблення отворів у деталях з полімерних композиційних матеріалів (ПКМ), осьовим комбінованим різальним інструментом. Реалізація такої схеми дозволило забезпечити зменшення осьової сили різання, в порівнянні з кінцевим етапом, і надалі, остаточне обробляти отвори процесом зустрічного розсвердленням, різальними елементами більшого діаметру.

Розроблено конструкцію спеціального комбінованого різального інструменту, що працює за схемою оброблення отворів ступінчастим інструментом зі змінним напрямком подачі та зустрічне розсвердлення матеріалу. Виготовлено дослідний зразок.

Розроблена теоретична база системи діагностики динамічного стану шпиндельних вузлів металорізальних верстатів та автоматичної ідентифікації відносного положення інструмента і заготовки в зоні різання.

Проведено аналіз апаратно-програмного забезпечення існуючих систем діагностики динамічного стану ШВ МРВ та ідентифікації відносного положення інструмента і заготовки в зоні різання.

Розроблено математичну модель динамічної поведінки ШВ як складної механічної коливальної системи, що знаходиться під дією процесу різання з урахуванням контактної взаємодії інструменту і заготовки в зоні різання.

Розроблено алгоритми та програмне забезпечення розрахунку динамічних характеристик механічної коливальної системи «шпиндельний вузол».

Систематизовано і показано, що якість отворів в деталях з полімерних композиційних матеріалів (ПКМ) для їх механічних з'єднань визначається розмірною точністю, шорсткістю поверхні, формою отвору і його позиційним відхиленням.

Встановлено, що при використанні удосконаленої схеми оброблення отворів в деталях з ПКМ, комбінованим свердлом забезпечується необхідну якість на вході і на виході, відсутні бахрома, спучування і розшарування граничних шарів заготовки. Експериментальне дослідження показало можливість досягнення 7-9 квалітету.

 

2038-п. Створення високоефективних виконавчих пристроїв до адаптивних систем автоматизації з відкритою архітектурою (Механіко-машинобудівний інститут, керівник Луговський О.Ф.) 

Розроблено схемні рішення ультразвукових кавітаційних пристроїв. Отримано узагальнену структурну модель виконавчого модуля дискретної дії. Модифіковані команди керування, що враховують режими роботи, зміну температури та тип робочої рідини.

Запропонавано пропозиції щодо застосування методів боротьби з явищем кавітації в мехатронних гідравличних системах.

Створено  методику автоматизованого проектування ультразвукових кавітаційних пристроїв. Розроблено ескізну технічну документацію на експериментальний зразок ультразвукового кавітаційного виконавчого пристрою підготовки робочої рідини.

Розроблено ескізний проект на експериментальний зразок ультразвукового кавітаційного виконавчого пристрою. Підготовлено 3 заявки на захист інтелектуальної власності та конструктивні рішення, що пропонуються.

 

      2028п Технологічні основи високопродуктивного виробництва заготовок та холодного штампування з них виробів зі стінкою змінної товщини (механіко-машинобудівний інститут, керівник  В.Л. Калюжний)

            Проведено аналіз конструктивних, технологічних та фізико-механічних факторів, які впливають на процеси відокремлення сортового прокату на заготовки зсувом в штампах, процесів холодного видавлювання порожнистих виробів, витягування з потоншенням і обтиску. Визначено вихідні параметри для проведення цифрового комп’ютерного моделювання вказаних процесів. Розроблено математичні моделі процесів високопродуктивного виробництва заготовок та та подальшого холодного штампування виробів з використанням методу скінченних елементів (МСЕ). Проведено комп’ютерне моделювання по визначенню впливу основних факторів на процес отримання вихідних заготовок та формоутворення порожнистих виробів зі змінною товщиною стінки наступною послідовністю операцій: холодне видавлювання, витягування з потоншенням та обтиск.  Отримано такі результати проведення проведеного комп’ютерного моделювання : зусилля деформування, розподіли питомих зусиль на деформуючому інструменті, кінцеві форми і розміри напівфабрикатів та виробів, напружено-деформований стан та ресурс пластичності у здеформованих заготовках. На основі аналізу результатів розрахунків було розроблено методики проведення експериментальних робіт та доопрацювання експериментального оснащення для проведення натурних експериментів.            Розроблено креслення деформуючого інструменту та  доопрацьованого штампового оснащення.

Створено математичні методи моделювання процесів лазерного, плазмового, індукційного, лазерно-плазмового, лазерно-індукційного нагрівання та плавлення поверхневих шарів матеріалів. Виконано аналіз існуючих математичних моделей щодо нагрівання та оплавлення поверхонь основи біметалу з застосуванням різних умов подачі концентрованих джерел енергії (електромагнітної індукції, електричного дугового розряду, плазми, електронного та лазерного променів) та їх різних комбінацій.

Створено математичні методи моделювання процесів лазерного, плазмового, індукційного, лазерно-плазмового, лазерно-індукційного нагрівання та плавлення поверхневих шарів матеріалів. Виконано аналіз існуючих методів взаємодії розплавленого металу основи та поверхневого шару робочої пластини для отримання з’єднання біметалевих матеріалів між собою з застосуванням різноманітних теплових процесів.

Встановлені особливості, способи й схеми взаємного впливу як складових біметалів, так і теплових джерел, в процесі лазерного, плазмового, індукційного, лазерно-плазмового, лазерно-індукційного нагрівання та плавлення робочих та поверхневих шарів матеріалів й особливості формування біметалу за допомогою літформ.

 

 Назва пріоритетного тематичного напряму Конкурсу проектів наукових робіт та науково-технічних (експериментальних) розробок молодих учених:

 4 Раціональне природокористування

пріоритетний тематичний напрям: Технології раціонального водокористування, підвищення ефективності очищення стічних вод та запобігання забрудненню водних об’єктів;

 

       2047-р «Система для ультразвукової кавітаційної очистки води», (керівник Гришко І.А.)

    Проведено попередні дослідження впливу ультразвукової кавітації на мікроорганізми.

Згідно випробувань №749/2 від 6.10.2017 та №771/2 від 13.11.2017 у виробничій лабораторії ПП «Кронос Агро» для досліджень було взято такі культури: Bacillus subtilis (грампозитивна бактерія, що утворює спори); Lactobacillus acidophilus  (грампозитивна молочнокисла бактерія); Saccharomyces cerevisae (мікроскопічні дріжджі хлібопекарські).

Оформлені вимоги до: хімічного складу; меж механічного  та  бактеріального забруднення початкових зразків рідини, яка буде піддаватись подальшому очищенню. Виявлено особливості конструкцій аналогів та прототипів.

        Результати наукових досліджень наукового колективу були представлені на конкурсі наукових проектів «Sikorsky Challenge 2017» яка відбулась в Науковому парку КПІ імені Ігоря Сікорського". Тематика представленого на конкурс проекту «Технологія та обладнання ультразвукової кавітаційної обробки молока» тісно пов’язана з роботою «Система для ультразвукової кавітаційної очистки води».

Представлений Startup був розглянутий міжнародною комісією та здобув перемогу на зазначеному конкурсі

 

6 Нові речовини і матеріали

 Пріоритетний тематичний напрям:

Цільові дослідження щодо отримання нових матеріалів, їх з’єднання і оброблення

 2938-р «Створення технологій пластичного деформування гомогенних та порошкових матеріалів в умовах надпластичності для забезпечення  ресурсу та надійності наукоємних виробів»(Мехнаніко-машинобудівний інститут, керівник А.В. Тітов)

Розроблена методика теоретичних та експериментальних досліджень. Обгрунтована концепція двостадійного формування властивостей матеріалу деталей, коли на першому етапі формується дрібнодисперсна структури матеріалу заготовки шляхом обробки її в умовах великих деформацій чистого зсуву – інтенсивних пластичних деформацій, а на другому реалізуються процеси формоутворення елементів конструкцій та деталей з попередньо модифікованих заготовок (на першому етапі) в умовах надпластичності. Підготовлене та модернізоване обладнання,яке буде використовуватись для дослідних робіт, шляхом застосування набору сучасних датчиків, які через АЦП та мікропроцесорну систему Arduino може фіксувати та передавати на комп’ютер основні технологічні параметри процесу формоутворення: температура, переміщення повзуна, зусилля деформуваня. Проведене комп’ютерне моделювання процесу формування дослідних зразків лопаток з використанням сучасних систем інженерного аналізу методом скінченних елементів (CAD/CAE). Проведені попередні експериментальні дослідження для верифікації розроблених скінченноелементних моделей. Ці моделі дозволяють визначати оптимізовані параметри процесу формування дослідних зразків лопаток.Виконане проектування оснащення та установки для формоутворення дослідних зразків лопаток, яке буде використовуватись для подальших експериментальних робіт.

 

  Державний фонд фундаментальних досліджень

 Ф70/207-2017  Демпфер протезу колінного суглобу (керівник Галецький  О.С.)

Проведено аналіз відомих світових технічних рішень та конструктивних особливостей, виявлено проблему, яка полягає в залежності характеристик демпферів від зміни умов експлуатації. Сформульовані ціль та задачі забезпечення стабільних характеристик демпферів, шляхом удосконалення клапанно-дросельного вузла з автоматичною термостабілізацією при зміні умов експлуатації, є актуальною.

Передбачена можливість налаштування під індивідуальні параметри інваліда та забезпечення змінного режиму демпфування та навантаження в процесі руху. Передбачена автоматична компенсація теплового розширення робочої рідини, що забезпечує стабільність характеристик, надійну та тривалу працездатність суглоба в різних кліматичних умовах. Регульовані дроселі оснащені термочутливими елементами, які виконано у вигляді пружної біметалевої пластини або пластини з нітінолу, що контактує з регулюючим елементом дроселя. Підвищено стабільність характеристик демпфера за рахунок впровадження автоматичної корекції. Показано, що відомі рішення для стабілізації характеристик або управління характеристиками гідравлічних амортизаторів не враховують впливу температури або є технічно складними і не доведені до практичного використання.

Розроблено математичну модель магнітно-гідравлічного демпфера, яка дозволяє досліджувати вплив його параметрів та механічної частини просторового механізму і температури робочої рідини на зусилля опору і час процесу затухання коливань. Змодельовано кожний елемент та конструкцію протезу в  середовищі SolidWorks.

Виконана кількісна оцінка впливу зміни температури робочої рідини на характеристику демпфера, яка підтвердила істотний вплив температури на зусилля опору через зміну витрат через дроселі. За результатами досліджень визначено необхідну величина зміни площ дроселів при їх регулюванні в режимах «розтягу» і «стиснення».

Розроблено вимоги до приводу і його функціональна схема. Лабораторні дослідження показали, що застосування термостабільних клапанно-дросельних вузлів в гідравлічних демпферах дозволяє забезпечити стабілізацію зусилля опору в заданому діапазоні зміни температури робочої рідини. 

© 2018 Механіко-Машинобудівний інститут
Много шаблонов Joomla на JooMix.org