2025 № 6

У межах тривимірної лінеаризованої теорії стійкості досліджено плоску задачу про стиск кусково-однорідного напівобмеженого тіла вздовж прямолінійної межі поділу середовищ. Матеріали основи та покриття вважаються гіперпружними, а структура їхніх пружних потенціалів – довільною. Розглянуто два характерні випадки контакту компонентів: жорстке бездефектне з’єднання по всій межі поділу компонентів та наявність на цій межі скінченної за розміром міжфазної тріщини з вільними від напружень берегами. З метою визначення критичних параметрів навантаження, за яких відбувається приповерхнева втрата стійкості, у першому випадку вихідна гранична задача зводиться до трансцендентного рівняння, у другому – до задачі на власні значення для системи інтегральних рівнянь Фредгольма першого роду. Наведені числові результати для матеріалів із пружним потенціалом гармонічного типу показують, що їхня стисливість може суттєво впливати на критичні параметри стиску і повинна братися до уваги при інженерних розрахунках.

Ключові слова:тіло з покриттям, гіперпружний матеріал, міжфазна тріщина, стиск уздовж межі поділу середовищ, приповерхнева втрата стійкості.

Приведено комплексний підхід до оцінки поточного стану фізико-механічних характеристик конструкційних матеріалів відповідального обладнання за результатами випробувань на розтяг, твердість, індентування і за показниками розсіювання. Для досліджень використано трубопровідну сталь 20 у двох станах: із напрацюванням в умовах експлуатації та без. Випробування на одновісний розтяг стандартних зразків, які вирізалися в двох ортогональних напрямках, показали, що механічні характеристики мають близькі значення, і матеріал обох труб можна вважати умовно ізотропним. Виявлено, що значення твердості за Брінеллем на зовнішній і внутрішній поверхнях труби зі сталі з напрацюванням мали значно більший розкид відносно середнього, а розраховані за ними механічні характеристики були вищими на 10…30% за такі ж у центральній частині. Додаткові випробування на розтяг мікрозразків і на твердість за Брінеллем по товщині труби показали, що характеристики твердості і міцності сталі без напрацювання знаходяться приблизно на одному рівні. Для сталі з напрацюванням їхні значення зростають при наближенні до внутрішньої або зовнішньої поверхонь. Крім того, металографічні дослідження сталі з напрацюванням підтвердили неоднорідність структури по товщині труби, яка може бути зумовлена як технологією виготовлення, так і умовами експлуатації. Вказано на необхідність зваженого системного підходу до визначення механічних характеристик неруйнівними методами, зокрема вимірюванням твердості й індентуванням, що може підвищити обґрунтованість і точність отриманих даних.

Ключові слова:метод інструментованого індентування, твердість за Брінеллем, розтяг, мікрозразок, механічні характеристики, метод LM-твердості, металографічні дослідження, моніторинг.

Досліджено вплив частоти навантаження і параметра пошкодженості на характеристики малоциклової втоми біосумісного титанового сплаву типу Ті-6Аl-4V Grade23, який отримано з використанням технологій 3D-друку. Сплав використовується для виготовлення індивідуалізованих ендопротезів. Виходячи з гіпотези про співрозмірність механічних характеристик титанових сплавів при розтягу і стиску, експериментальні дослідження проводились при асиметрії циклу 􀜴 􀵌 0 на базі 105 циклів за частот навантаження 0,3 і 3 Гц. Для опису процесів циклічної повзучості використано основні рівняння теорії зміцнення. Установлено, що введення параметрів пошкодженості в систему визначальних рівнянь циклічної повзучості призводить до суттєвого уточнення їхніх результатів. Для отримання базових кривих пошкодженості обґрунтовано використання енергетичної гіпотези з урахуванням деградації основних механічних характеристик матеріалу. Гіпотеза дає змогу одержати більш точні результати для скалярного параметра граничної пошкодженості 􀜦􀯋 в порівнянні з гіпотезою еквівалентності деформацій. В області малоциклового навантаження гранична накопичена деформація 􀟝􀯖􀯥 зменшується при збільшенні частоти навантаження на порядок (0,3…3,0 Гц). Така закономірність характерна також для кривих малоциклової втоми.

Ключові слова:малоциклова втома, циклічна повзучість, пошкодженість, критерії розсіяного руйнування.

Розроблено методику і проведено експериментальні дослідження залишкової міцності полімерного композиційного матеріалу циліндричної оболонки – моделі корпусу паливного бака. Враховано особливості технології виготовлення оболонок і відповідно суттєву радіальну й осьову анізотропію. Стосовно радіальної компоненти залишкової міцності реалізовано методику випробування на розтяг кільцевих зразків, вирізаних із попередньо навантажених модельних оболонок. Для врахування особливостей експериментальної методики проведено дослідження напружено-деформованого стану кільцевих зразків: зусиллям стиску з наступним руйнуванням при розтягу, короткочасним нагріванням до 300°С з одночасним навантаженням стиску, нагріванням до температури 200 і 300°С з витримкою 30 хв, циклічним навантаженням на базі 100 цикл. Із зазначених чотирьох видів попереднього циклічного навантаження найбільший вплив на залишкову міцність полімерного композиційного матеріалу має нагрівання до температури 300°С, коли границя міцності матеріалу може знижуватися на 21% порівняно з границею міцності вихідного матеріалу.

Ключові слова:полімерні композиційні матеріали, залишкова міцність, аерокосмічна техніка, циліндричні оболонки.

Моніторинг поточного стану металу силових елементів конструкції літальних апаратів є важливою складовою забезпечення експлуатаційної надійності авіаційної техніки, а також аналізу причин можливих аварійних ситуацій. Залежно від типу конструкцій, матеріалів, доступності елементів і необхідного ступеня деталізації діагностики застосовується широкий спектр неруйнівних методів контролю. Достатньо поширеними і простими у технічному забезпеченні є методи, що базуються на вимірюванні твердості. Приведено результати експериментальних досліджень, спрямованих на оцінку поточного стану поверхні силових елементів конструкції літального апарату, що зазнали дії перевантажень у процесі експлуатації. Проаналізовано вплив статичних навантажень на залишкові деформації конструктивних елементів. На основі методу LM-твердості запропоновано підхід до оцінки рівня напружень, що спричинили наявні деформації. Установлено кореляцію між рівнем напружень, що виникали в елементі конструкції, і зумовленим цим змінами характеристик твердості поверхневого шару матеріалу, що дає змогу здійснювати експрес-оцінку поточного стану пошкодженості конструкції.

Ключові слова:розсіяні пошкодження, метод LM-твердості, коефіцієнт гомогенності, пошкодженість металу, статичне навантаження.

Наведено результати експериментально-чисельного дослідження механічної поведінки термопластичного поліуретану (ТПУ), виготовленого методом 3D-друку (FDM), з акцентом на його пружні, в’язкопружні й релаксаційні властивості. Для цього проведено комплекс одноосьових розтягувальних випробувань при різних швидкостях навантаження, що дає змогу встановити залежність механічного відгуку матеріалу від швидкості деформації. Виявлено, що з підвищенням швидкості зростає як модуль пружності, так і гранична міцність, що свідчить про необхідність урахування швидкісних ефектів під час розрахунків у динамічних умовах. Проведено релаксаційні тести при різних рівнях деформації, які показали, що процес релаксації суттєво визначається рівнем навантаження, тоді як початкова швидкість деформації має незначний вплив. Для апроксимації отриманих релаксаційних кривих було використано модель ряду Проні. Визначено, що оптимальною є двокомпонентна апроксимація, оскільки збільшення кількості членів призводить до появи нереалістичних часових параметрів. Для перевірки коректності отриманих характеристик виконано чисельне моделювання з відтворенням експериментальних умов. Аналіз показав високу відповідність чисельних і натурних даних при середніх і високих рівнях деформації, що також підтверджено коефіцієнтом детермінації 􀜴². На основі експериментально встановлених властивостей матеріалу змодельовано конструктивний елемент із квазінульовою жорсткістю, що поєднує балки з негативною й арки з позитивною жорсткістю. Досліджено його силові характеристики, продемонстровано формування робочої області зі сталою жорсткістю, здатною ефективно поглинати коливання у визначеному діапазоні. Отримані результати підтверджують доцільність застосування ТПУ у проєктуванні адаптивних віброізоляційних структур.

Ключові слова:експериментальне дослідження, ТПУ, 3Д-друк, в’язкопружна поведінка.

Наведено результати експериментального дослідження впливу локального пошкодження від дії низькоенергетичного удару та впливу геометричної нелінійності, зумовленою статичним прогином під дією сили тяжіння, на характеристики нелінійних вимушених коливань консольного стрижня, з багатошарового вуглепластика плетеної структури. Експериментальні дослідження проведено на установці, яка складається з двох послідовно підключених електродинамічних вібраторів для збудження згинних коливань і безконтактної реєстрації їхніх характеристик. Для нанесення локальних пошкоджень на досліджувані зразки використано копер. Резонансні коливання досліджено для непошкодженого та пошкодженого зразків за умови їхнього горизонтального й вертикального розташування. Аналіз амплітудно- частотних характеристик (АЧХ) коливань зразків показав, що наявність локального пошкодження супроводжується зміщенням частоти максимальних резонансних коливань для різних рівнів змушувальної сили. Так, для пошкодженого зразка має місце більше, у порівнянні з непошкодженим, зменшення частоти коливань для пікових значень АЧХ зі збільшенням амплітуди змушувальної сили. Встановлено, що вплив геометричної нелінійності, зумовленої дією сили тяжіння, є значним і має враховуватися при аналізі динамічної поведінки композитних конструкцій. Отримані дані представляють нову інформацію, що є підґрунтям для розробки нових вібродіагностичних ознак наявності локальних пошкоджень композиційних елементів конструкцій на основі аналізу нелінійних коливань елементів конструкцій з полімерних композиційних матеріалів.

Ключові слова:композитний матеріал, нелінійні коливання, амплітудно-частотна характеристика, ударне пошкодження, сила тяжіння, власна частота коливань, експериментальне дослідження.

Запропоновано підхід до розрахунку напружено-деформованого стану армованих композитів з урахуванням пошкоджуваності, який базується на феноменологічному моделюванні деградації їхніх пружних характеристик внаслідок накопичення мікропошкоджень. Розглянуто основні гіпотези континуальної механіки пошкоджень, зокрема метод еквівалентності питомої енергії, який дає змогу з більшою точністю описати зміну механічних властивостей шаруватих ортотропних композиційних матеріалів, порівнюючи його з методом еквівалентних деформацій. Визначено тензор ефективних напружень з урахуванням трьох параметрів пошкоджуваності: в напрямках волокон і при зсуві. Обґрунтовано використання термодинамічного потенціалу – вільної енергії Гельмгольца – для формалізації зв’язку між накопиченням пошкоджень і деградацією жорсткості. Запропоновано експериментальну методику визначення параметрів пошкоджуваності на основі повторних випробувань на розтяг (ASTM D3039) та зсув (ASTM D5379), результати яких підтверджують відмінності між кінетикою деградації нормальних і зсувних модулів. Побудовано аналітичні залежності пошкоджуваності від термодинамічної сили, що дозволяє апроксимувати процес розвитку пошкоджень. Проведено порівняння отриманих моделей з оригінальною моделлю Ладевезе і показано, що запропонований підхід точніше відображає поведінку плетених композитів за умов комплексного навантаження. Отримані результати можуть бути використані для прогнозування ресурсу і визначення граничного стану конструкцій, виготовлених з армованих композитних матеріалів, у рамках чисельного моделювання.

Ключові слова:ортотропні композити, феноменологічна модель, параметри пошкодження, континуальна механіка, напружено-деформований стан.

Досліджено процес накопичення втомних пошкоджень у плакованому алюмінієвому сплаві Д16 за умов постійної і змінної амплітуди циклічного навантаження. Запропоновано універсальний методичний підхід до кількісної оцінки ступеня пошкодженості, що ґрунтується на аналізі еволюції деформаційного рельєфу поверхні зразків. На основі цифрової обробки високороздільних зображень поверхні визначено параметр пошкодження D, який характеризує кількість бінаризованих світлих елементів, що з’являються внаслідок мікропластичних деформацій. Показано, що параметр D монотонно зростає впродовж усього періоду навантаження до моменту зародження макротріщини та має виражений нелінійний характер, зокрема спостерігається сповільнення його зміни на завершальних етапах циклічного навантаження. Проведено порівняльний аналіз даних, отриманих при навантаженні з постійною та змінною амплітудою, встановлено, що кількість циклів до руйнування практично не залежить від порядку слідування амплітуд у спектрі випадкового навантаження. Визначено суттєву залежність параметра пошкодженості від величини прикладеної максимальної амплітуди навантаження. Отримані результати підтверджують можливість застосування методів цифрового аналізу поверхні для оцінювання стану матеріалу за циклічного навантаження і прогнозування залишкового ресурсу.

Ключові слова:втома, алюмінієвий сплав, змінна амплітуда, деформаційний рельєф, розсіяне пошкодження, параметр пошкодженості.

Досліджено будову і фазовий склад іонно-карбоазотованих матеріалів. За результатами рентгеноструктурного аналізу встановлено зміну параметрів кристалічної ґратки і концентрації азоту в поверхневому шарі залежно від режимів іонного азотування. Вивчено електрохімічну поведінку, корозійну стійкість і корозійно-механічне зношування незміцнених та зміцнених зразків у середовищі транспортерно-мийної води. Установлено, що на корозійну стійкість й зносостійкість сталей і чавуну при терті суттєво впливають фізико-механічні характеристики азотованого шару: мікротвердість, її градієнт за товщиною, товщина дифузійного шару, фазовий склад поверхні та мікротвердість основи. Показано, що застосування карбоазотування дає змогу підвищити корозійну стійкість досліджуваних матеріалів у статичних умовах у 1,09…1,40 раза, у динамічному середовищі – в 1,24…1,91 раза, а зносостійкість – у 1,7…11,1 раза.

Ключові слова:іонне азотування, карбоазотування, фазовий склад, мікроструктура, мікротвердість, корозійна стійкість, зносостійкість.

Визначено необхідність виконання фундаментальних наукових досліджень і забезпечення належної правової охорони отриманих результатів, які є одним із ключових чинників інноваційного розвитку й економічної безпеки держави. Доведено, що на сучасному етапі висока конкурентоздатність провідних зарубіжних країн безпосередньо залежить від ефективності використання їхнього науково-технологічного потенціалу, результатів фундаментальних наукових досліджень, які мають ефективну правову охорону. Досвід таких країн демонструє високий рівень інституційної і нормативної підтримки результатів фундаментальних наукових досліджень і свідчить, що відсутність ефективної системи правової охорони призводить до відтоку інтелектуального потенціалу, зниження інвестиційної привабливості та втрати вагомих наукових здобутків. Аналіз чинного законодавства в нашій країні показує, що на практиці відсутні ефективні механізми правової охорони результатів фундаментальних досліджень, що гальмує впровадження новітніх технологій, подальший розвиток наукомістких напрямів. Водночас саме такі результати мають не тільки фундаментальне, а й практичне значення, оскільки є базою для створення багатьох винаходів, корисних моделей, новітніх технологій, що використовуються у високотехнологічних галузях. Установлено, що забезпечення правової охорони результатів фундаментальних досліджень є стратегічним завданням державної політики у сфері науки, інновацій і безпеки. Обґрунтовано необхідність забезпечення ефективного економіко-правового механізму охорони результатів фундаментальних наукових досліджень в Україні. Впровадження їхньої належної правової охорони на рівні відповідного закону і законодавства, дотичного до зазначеної сфери, дасть змогу забезпечити збалансоване поєднання інтересів держави і науки, створивши сприятливі умови для трансформації наукових досягнень у конкретні технічні, технологічні рішення, новітні технології. Такий підхід також дозволить зберегти інтелектуальний потенціал і сприятиме формуванню інноваційної моделі розвитку економіки з привабливими інвестиційними підходами.

Ключові слова:фундаментальні дослідження, еластомери, енергетичні механізми руйнування, геомеханіка, циклічне гідродинамічне навантаження, інтелектуальна власність, правова охорона.

Розглянуто двоетапну послідовну процедуру оцінювання параметрів узагальненого експоненціального розподілу та коефіцієнта прискорення. Спочатку визначаються оцінки максимальної правдоподібності, після чого для байєсівського оцінювання застосовується MCMC‑процедура з використанням вибірки Гіббса. Побудовано інтервали максимальної апостеріорної густини. Для оцінки ефективності отриманих оцінок проведено моделювання Монте‑Карло з аналізом MSE та імовірностей покриття.

Ключові слова:послідовне оцінювання, прискорені випробування, MCMC, вибірка Гіббса.

У роботі систематично досліджено вплив додавання Ti3AlC2 (0–1,5 мас.%) на властивості твердих сплавів WC–Co, отриманих методом порошкової металургії. Показано, що Ti3AlC2 ефективно пригнічує ріст зерен WC завдяки утворенню фаз TiCₓ та (W,Ti)C, зменшуючи середній розмір зерен на 46,7% при додаванні 1,5 мас.%. Оптимальним є введення 1,0 мас.% Ti3AlC2, що забезпечує підвищення твердості на 16,4% (до 20,89 ГПа) при незначному зниженні тріщиностійкості (на 2,7%, до 8,4 МПа∙м1/2), а також зниження коефіцієнта тертя на 24,5% (до 0,462) і швидкості зношування на 47,4% (до 2,22∙10–7 мм3/(м∙Н)) за навантаження 50 Н. Поліпшення властивостей зумовлене подрібненням зерен WC та in situ утворенням трибоплівок, збагачених Al2O3, під час тертя. Таким чином, Ti3AlC2 є ефективною легуючою добавкою для створення зносостійких твердосплавних матеріалів із збалансованими механічними характеристиками.

Ключові слова:Ti3AlC2, WC-Co, триботехнічні властивості, дрібнозернистість.

З метою глибшого розуміння втомних властивостей і експлуатаційної надійності сталі 04Cr13Ni5Mo, що застосовується для лопаток турбін, проведено дослідження її високочастотної втомної поведінки в повітрі для основного металу та зварних з’єднань у діапазоні 20000–2000000 циклів. Отримано та проаналізовано P‑S‑N криві, а також розроблено модель імовірнісного розподілу втомної довговічності. Показано, що трьохпараметрична модель Вейбулла адекватно описує розподіл імовірності руйнування, а експоненційна модель P‑S‑N найточніше відображає залежність ресурсу від рівня напружень.

Ключові слова:втомні випробування, 04Cr13Ni5Mo, втомні властивості, P‑S‑N модель.

Подано комплексне експериментально‑числове дослідження динамічних характеристик фундаменту ультранадкритичного турбогенератора потужністю 1000 МВт із довжиною 74 м – найбільшою серед споріднених об’єктів. Створено модель у масштабі 1:10, виконано модальні випробування та тести вимушених коливань. Результати звірено з моделлю ABAQUS. Перша глобальна форма коливань виявлена на частоті 16,45 Гц із розбіжністю − 1,85% відносно розрахунку. Розраховані амплітуди коливань не перевищують обмежень стандарту GB 50040, що підтверджує відповідність конструкції вимогам до вібраційної надійності.

Ключові слова:ультранадкритичні блоки, динаміка фундаментів, модальні випробування, МСЕ‑аналіз.

Досліджено вплив зварювання тертям із перемішуванням (FSW) на квазістатичну тріщиностійкість листових зразків AA3003 шляхом порівняння двох підходів лінійної механіки руйнування – методу суттєвої роботи руйнування (EWF) та методу J‑інтегралу Беглі– Ландеса. Випробування зразків типу DENT показали, що після FSW тріщиностійкість зменшується: EWF – на 31,43% (зі 100,443 до 68,878 кДж/м2), критичний J‑інтеграл – на 35,75% (зі 116,570 до 74,913 кДж/м2). Попри різницю абсолютних значень ( 􀜬􀯂􀯖⁄􀜹􀯘 􀵎1,16), обидва методи дають узгоджені оцінки. Метод EWF рекомендований для промислового контролю як більш простий та оперативний, тоді як J‑інтеграл придатний для фундаментальних досліджень.

Ключові слова:суттєва робота руйнування (EWF), зварювання тертям із перемішуванням (FSW), J‑інтеграл, DENT‑зразки, сплав AA3003.

Досліджено вплив параметрів процесу (кут нахилу інструмента, швидкість подачі та частота обертання) на механічні властивості композитів AA5083/SiC, отриманих за допомогою оброблення тертям із перемішуванням (FSP). Для планування експерименту використано ортогональний масив Тагучі L9. Досягнуто максимальну мікротвердість 94,80 HV та межу міцності на розтяг 243 МПа. Аналіз ANOVA показав, що найбільший вплив має частота обертання інструмента, далі — швидкість подачі та кут нахилу. Оптимальні параметри для міцності — 900 об/хв, 30 мм/хв і 2°. Зростання твердості пояснюється подрібненням зерен і блокуванням дислокацій, тоді як незначне зниження міцності — агломерацією частинок.

Ключові слова:алюмінієві сплави, ANOVA, композиційні матеріали, оброблення тертям із перемішуванням (FSP). метод Тагучі.

Для характеристики руйнування пластичних інженерних матеріалів за умов тривісного напруженого стану досліджено стандартні зразки латуні H62 з двома надрізами методом тривимірної цифрової кореляції зображень. Результати показали, що одночасне руйнування за двома тріщинами не відбувається. Поля переміщень у напрямках осей x і z мають паралельно- симетричний розподіл “згори–донизу”, тоді як у напрямку y – ліво‑правий симетричний розподіл. Для асиметричних зразків поля деформацій у напрямах x, y та площині xy симетричні відносно кута 45°, при цьому максимальна деформація спостерігається в зоні центрального надрізу. Внутрішня сторона отвору перебуває у стані розтягнення, а зовнішня – у стані стиску. На основі експериментальних характеристик матеріалу застосовано конститутивну модель пластичного пошкодження Gurson–Tvergaard–Needleman (GTN) для прогнозування руйнування. Порівняння прогнозу з експериментом підтвердило гарне узгодження кривих сила– переміщення та полів деформацій.

Ключові слова:пластичні матеріали, тривісний напружений стан, двотріщинні зразки, модель GTN, 3D‑DIC.

Розуміння механізмів росту втомних тріщин у сплаві AA7075‑T6 є критично важливим для авіаційних конструкцій. Проведено комплексне експериментальне дослідження згідно зі стандартом ASTM E647 при циклічному навантаженні 22 кН, частоті 10 Гц та коефіцієнті асиметрії R=0,1. Спостережено три стадії росту тріщини: I (0–20 мм) — повільний стабільний ріст; II (20–35 мм) — зигзагоподібний ріст під кутом 45°; III (>35 мм) — прискорений ріст до руйнування. Мікроструктурний аналіз показав транскристалітний характер руйнування. Визначено параметри закону Паріса C=1∙10–8 та m=4,05 при ΔKth=3,2 МПа∙м1/2 (R2=0,96). Отримані критичні значення є важливими для аналітики пошкоджуваності та моніторингу технічного стану в авіації.

Ключові слова:ріст втомних тріщин, AA7075‑T6, інтенсивність напружень, довговічність.

Проведено розрахунок реакції спектра для 147‑річної мурованої шкільної будівлі із застосуванням спектральних прискорень, регламентованих стандартом IS 1893‑2016. Навантаження прикладали у двох ортогональних напрямках. Припускаючи ізотропні властивості матеріалу, визначено нормальні та дотичні напруження. Додатково виконано параметричний аналіз із варіюванням модуля пружності та коефіцієнта Пуассона. Показано, що зміни напружень значно чутливіші до модуля пружності, ніж до коефіцієнта Пуассона.

Ключові слова:будівлі‑пам’ятки, параметричний аналіз, спектральне прискорення, контури напружень.

Суглинкові ґрунти алювіальної рівнини нижньої течії Хуанхе мають недостатню міцність, що обмежує інженерне будівництво, зокрема на ділянках проєкту G220 Dongsheng. Для підвищення їх міцності розроблено композитний твердник на основі промислових відходів – леткої золи та доменного шлаку. З урахуванням нормативних вимог і оптимальної вологості ґрунту (14,9%) виконано дослідження впливу дозування твердника (4–16%), вологості (12–18%), ступеня ущільнення (90–98%), строку тверднення (3–90 діб) та вмісту сульфату натрію (0–15%) на межу міцності при одноосьовому стиску (UCS). Встановлено, що максимальне значення UCS 2,18 МПа досягається при 12% твердника, вологості 14,9%, ущільненні 98% та 5% гіпсу. Міцність зростає зі збільшенням часу тверднення. Отримані результати підвищують надійність дорожніх основ і сприяють утилізації промислових відходів.

Ключові слова:стабілізація ґрунтів, промислові відходи, міцність при одноосьовому стиску, пилувато‑піщані ґрунти.