EIRNUZP – Електронний інституційний репозитарій Національного університету «Запорізька політехніка»
Інституційний репозитарій Національного університету «Запорізька політехніка» – це електронний архів, що накопичує, систематизує, зберігає та забезпечує довготривалий відкритий доступ до електронних публікацій та електронних версій документів наукового та навчально-методичного призначення, авторами яких є співробітники, аспіранти, докторанти та студенти Національного університету «Запорізька політехніка».
Communities in DSpace
Select a community to browse its collections.
Recent Submissions
Research of natural frequencies of the cutter-oscillator during turning
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2025) Tryshyn, Pavlo; Kozlova, Olena; Kazurova, Alina; Тришин, Павло Романович; Козлова, Олена Борисівна; Казурова, Аліна Євгенівна
EN: Purpose. To investigate the main methods for determining the natural frequency of the cutter-oscillator X and to analyze the influence of its geometric and inertial parameters on the dynamic characteristics during the study of the physical foundations of cutting process dynamics in turning conditions.
Research methods. The experimental study was carried out using the impact hammer test, in which the additional mass and the tool overhang were varied. During each test, oscillation oscillograms were recorded, allowing for the determination of the corresponding natural frequencies. The analytical approach involved deriving formulas for estimating the natural frequency based on the geometric and mass-inertial characteristics of the structure. The SolidWorks software system with the Simulation module was used for the numerical simulation of the spatial oscillations of the cutter-oscillator X, which provides frequency analysis and model creation considering real geometric parameters.
Results. Comparison of the analytical, experimental, and numerical methods for determining the natural frequency of the cutter-oscillator X showed high consistency of the results, confirming their reliability and practical applicability. The influence of geometric and inertial parameters on the dynamic characteristics of the cutter-oscillator X was determined. In particular, when increasing the overhang from 60 mm to 140 mm, the natural frequency decreased by 3.6…4.1 times, and when increasing the mass of the concentrated load from 0.2 kg to 0.52 kg – by 1.4...1.6 times. Frequency analysis in SolidWorks Simulation demonstrated sufficient accuracy (error of 2…3%), high efficiency, and cost-effectiveness, especially when designing complex structures. Numerical simulation proved to be a convenient tool for optimizing structures and reducing costs at the development stage.
Scientific novelty. For the first time, a comprehensive comparison of analytical, experimental, and numerical methods for determining the natural frequency of the cutter-oscillator X was carried out. The influence of geometric and inertial parameters on its dynamic characteristics was analyzed. The effectiveness of using frequency analysis in CAD systems for studying the dynamics of the turning process was demonstrated, which is relevant for optimizing complex structures.
Practical value. The computer simulation method demonstrated high accuracy and repeatability of results in determining the natural frequency of the cutter-oscillator X, confirming its suitability for vibration analysis of lathe cutting tools. Using frequency analysis in SolidWorks Simulation simplifies design, reduces costs, and is especially effective for complex structures.
UK: Мета роботи. Дослідити основні методи визначення частоти власних коливань різця-осцилятора Х та проаналізувати вплив його геометричних і інерційних параметрів на динамічні характеристики під час вивчення фізичних основ динаміки процесу різання в умовах точіння.
Методи дослідження. Експериментальне дослідження здійснювалося методом ударного збудження, при якому змінювали додаткову масу та виліт різця. Під час кожного випробування фіксувалися осцилограми коливань, що дозволяло визначити відповідні частоти власних коливань. Аналітичний підхід передбачав виведення розрахункових формул для оцінки частоти власних коливань на основі геометричних і масо-інерційних характеристик конструкції. Для чисельного моделювання просторових коливань різця-осцилятора Х використовувалась програмна система SolidWorks з модулем Simulation, що забезпечує проведення частотного аналізу та побудову моделей з урахуванням реальних геометричних параметрів.
Отримані результати. Порівняння аналітичного, експериментального та чисельного методів визначення частоти власних коливань різця-осцилятора Х показало високу узгодженість результатів, що підтверджує їхню надійність і практичну застосовність. Встановлено вплив геометричних та інерційних параметрів на динамічні характеристики різця-осцилятора Х. Зокрема, при збільшенні вильоту з 60 мм до 140 мм частота власних коливань зменшилась у 3,6…4,1 рази, а при збільшенні маси зосередженого вантажу з 0,2 кг до 0,52 кг — у 1,4…1,6 рази. Частотний аналіз у середовищі SolidWorks Simulation продемонстрував достатню точність (похибка 2…3%), високу ефективність та економічну доцільність, особливо при проєктуванні складних конструкцій. Чисельне моделювання виявилося зручним інструментом для оптимізації конструкцій та скорочення витрат на етапі розробки.
Наукова новизна. Вперше проведено комплексне порівняння аналітичного, експериментального та чисельного методів визначення частоти власних коливань різця-осцилятора Х. Проаналізовано вплив геометричних та інерційних параметрів на його динамічні характеристики. Показано ефективність використання частотного аналізу в САПР-системах для дослідження динаміки процесу точіння, що є актуальним для оптимізації складних конструкцій.
Практична цінність. Метод комп’ютерного моделювання продемонстрував високу точність і повторюваність результатів при визначенні частоти власних коливань різця-осцилятора Х, що підтверджує його придатність для вібраційного аналізу ріжучих інструментів. Застосування частотного аналізу в SolidWorks Simulation спрощує проєктування, скорочує витрати та є особливо ефективним для складних конструкцій.
Конструктивні способи підвищення несучої здатності вузлів з’єднання головних і кінцевих балок мостових кранів
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2025) Сидоренко, Михайло Володимирович Кононов, Віталій Владиславович Кравченко, Євген; Кононов, Віталій Владиславович; Кравченко, Євген; Sydorenko, Mykhailo; Kononov, Vitaliy; Kravchenko, Evhen
UK: Мета роботи. Підвищити несучу здатність вузлів з’єднання головних і кінцевих балок мостових кранів шляхом вдосконалення методик їхнього діагностування та розроблення конструктивних способів підсилення при ремонті.
Методи дослідження. Напружений стан вузлів з’єднання досліджували методом кінцевих елементів з адаптацією методу hot spot stress до прийнятих в Україні норм. Розрахунок напружено-деформованого стану поверхової конструкції проводили з використанням підмоделей. Коефіцієнти інтенсивності напружень визначали методом переміщень.
Отримані результати. На основі аналізу статистичних даних розроблено логіт-модель ймовірності пошкодження вузлів з’єднання залежно від параметрів мостових кранів. Встановлено, що для стикової конструкції найбільш значущими факторами є інтенсивність експлуатації та строк експлуатації, тоді як для поверхової конструкції домінуючим є інтенсивність експлуатації. Розроблено моделі напруженого стану вузлів при дії вертикального й поперечного навантажень. Виявлено, що збільшення катету косинця не має очікуваного впливу на величину напружень через перерозподіл навантажень між елементами кінцевої балки. Встановлено, що підсилення стінок кінцевих балок дозволяє зменшити напруження у верхньому поясі в 1,8 раза. Запропоновано конструктивні способи підвищення несучої здатності вузлів з’єднання стикової та поверхової конструкцій. Експериментально підтверджено, що при використанні комплексного підходу (косинець, накладка та виріз) для поверхової конструкції максимальні ефективні напруження в зоні вирізу становлять 60 МПа.
Наукова новизна. Отримано нові дані щодо закономірностей впливу конструктивних параметрів вузлів з’єднання головних і кінцевих балок мостових кранів на їхню несучу здатність. Встановлено залежності між довжиною тріщини та параметрами тріщиностійкості, що дозволяє прогнозувати залишковий ресурс вузлів з’єднання.
Практична цінність. Розроблені конструктивні способи підвищення несучої здатності вузлів з’єднання дозволяють забезпечити достатній запас міцності за опором багатоцикловій втомі та підвищити безпеку експлуатації мостових кранів.
EN: Purpose. To enhance the load-bearing capacity of the junction nodes between main and end beams of overhead cranes by improving diagnostic methodologies and developing structural reinforcement techniques for repair applications.
Research methods. The stress state of junction nodes was investigated using the finite element method with adaptation of the hot spot stress approach to Ukrainian standards. Stress-strain analysis of the overlapping structure was conducted using sub-modeling techniques. Stress intensity factors were determined through the displacement method.
Results. Based on statistical data analysis, a logit model was developed to determine the probability of junction node damage depending on overhead crane parameters. It was established that for butt joint structures, the most significant factors are operation intensity (coefficient 4.0) and service life (coefficient 2.05), whereas for overlapping structures, operation intensity is the dominant factor (coefficient 6.12). Stress state models were developed for nodes under vertical and transverse loads. It was discovered that increasing the gusset plate leg length does not have the expected effect on stress magnitude due to load redistribution between end beam elements. It was determined that reinforcing end beam webs can reduce stresses in the upper flange by a factor of 1.8. Structural methods for enhancing the load-bearing capacity of butt joint and overlapping structures were proposed. Experimental verification confirmed that when using an integrated approach (gusset plate, overlay, and cut-out) for overlapping structures, the maximum effective stresses in the cut-out zone are 60 MPa.
Scientific novelty. New data were obtained regarding the influence patterns of structural parameters of junction nodes between main and end beams of overhead cranes on their load-bearing capacity. Relationships between crack length and fracture toughness parameters were established, enabling prediction of the residual service life of junction nodes.
Practical value. The developed structural methods for enhancing the load-bearing capacity of junction nodes provide sufficient safety margins against high-cycle fatigue and improve the operational safety of overhead cranes.
Pulse deposition method for wire and arc additive manufacturing
(Національний університет «Запорізька політехніка», 2024) Molochkov, D.; Kulykovskyi, R.; Молочков, Деніс Є.; Куликовський, Руслан Анатолійович
UK: Purpose. To reduce the waviness of the side surfaces of wire and arc additive manufactured parts.
Research methods. Two groups of deposited specimens were used. The waviness of the side surfaces was measured from digital images of the cross sections of the specimens. The images were obtained by optical digital scanning. To establish a functional relationship between the geometric parameters of the beads and the main deposition parameters, regression and analysis of variance were performed on the measured data.
Results. It was found that different combinations of the main process parameters resulted in a surface waviness of 1.21 ± 0.23 mm. Based on the results obtained, a pulse deposition method was developed. The implementation of regular pauses reduced the heat input and the time spent by the material in the molten state, which limited its distribution. The proposed method resulted in a significantly lower waviness of 0.47±0.08 mm and a significant improvement in the stability of the resulting surface irregularity.
Scientific novelty. It has been shown for the first time that the waviness of the side surfaces in wire and arc additive manufacturing does not depend on the main deposition parameters, but is related to the nature of the arc-based deposition process. The developed method of pulsed deposition limits the time the metal remains in the molten state, which reduces the waviness of the surfaces by up to 60% and improves the stability of the geometry by three times, reducing the standard deviation to 0.08 mm.
Practical value. Pulsed deposition improves the predictability of the printed geometry by improving the accuracy and quality of the side surfaces. This reduces the required machining allowance, speeds up production, and reduces material waste. In some cases, the predictability of the geometry makes it possible to eliminate post-processing.
EN: Мета роботи. Зменшення хвилястості бокових поверхонь деталей, які виготовляються методом адитивного виробництва на основі електродугового зварювання.
Методи дослідження. Використано дві групи зразків, виготовлених методом адитивного виробництва на основі електродугового зварювання. Хвилястість бокових поверхонь вимірювалась на основі цифрових зображень поперечних перерізів зразків. Зображення отримано шляхом оптично-цифрового сканування. Для встановлення функціонального зв’язку між геометричними параметрами валиків і технологічними параметрами процесу виконувався регресійний та дисперсійний аналізи виміряних даних.
Отримані результати. Визначено, що різні комбінації основних технологічних параметрів забезпечують хвилястість поверхонь 1,21 ±0,23 мм. Виходячи з отриманих результатів було розроблено метод імпульсного нанесення матеріалу. Впровадження періодичних переривань дозволило зменшити тепловнесення і час перебування матеріалу в розплавленому стані, що обмежило його розтікання. Запропонований метод забезпечив значно меншу хвилястість 0,47±0,08 мм і значне покращення стабільності утворюваної нерівномірності поверхонь.
Наукова новизна. Вперше показано, що хвилястість бокових поверхонь при адитивному виробництві на основі електродугового зварювання не залежить від основних технологічних параметрів вирощування, а пов’язана саме з природою процесу нанесення розплавленого металу в цьому методі. Розроблений метод імпульсного нанесення матеріалу обмежує час перебування металу в розплавленому стані, чим досягається зменшення хвилястості поверхонь на величину до 60 % і покращення стабільності геометрії в три рази, за рахунок зменшення стандартного відхилення до 0,08 мм.
Практична цінність. Імпульсний метод формоутворення покращує передбачуваність вирощуваної геометрії за рахунок покращення точності та якості бокових поверхонь. Це дозволяє зменшити величину припуску на обробку і пришвидшити виробництво, а також скоротити відходи. В окремих випадках передбачуваність геометрії дозволяє відмовитись від пост-обробки.
Залежність мікротвердості покриттів з порошку АСД-1 від режимів холодного газодинамічного напилювання
(Національний університет «Запорізька політехніка», 2024) Шорінов, О. В.; Поливяний, С. О.; Shorinov, O.; Polyviany, S.
UK: Мета роботи. Побудувати залежності мікротвердості алюмінієвого покриття з порошку АСД-1, отриманого холодним газодинамічним напилюванням, від температури та тиску газу на вході в сопло, а також дистанції напилювання.
Методи дослідження. Планування та проведення експериментальних досліджень виконано з використанням методики планування багатофакторних експериментів та регресійного аналізу. Оброблення отриманих результатів експериментів здійснювалося в програмному пакеті для аналізу статистичних даних Stat-Ease 360. Дослідження мікротвердості напилених покриттів проводилося відповідно до ГОСТ 9450–76. «Вимірювання мікротвердості вдавлюванням алмазних наконечників» з використанням твердоміру мікро-Віккерс LECO AMH5 на підготовлених мікрошліфах зразків з покриттями.
Отримані результати. Побудовано тривимірні (поверхні відгуку) та контурні графіки залежності мікротвердості покриттів, напилених холодним газодинамічним методом з порошку АСД-1, від основних параметрів процесу – температури та тиску газу на вході в сопло, а також дистанції напилювання в широкому діапазоні значень. За результатами встановлено, що температура газу ти дистанція напилювання мають найбільший вплив на мікротвердість покриттів. Описано зв’язок досліджуваних параметрів напилювання з температурно-швидкісними характеристиками частинок порошку та впливу на значення мікротвердості.
Наукова новизна. Досліджено комплексний вплив основних параметрів процесу холодного газодинамічного напилювання, а саме температури та тиску газу на вході в сопло, а також дистанції напилювання, на мікротвердість алюмінієвих покриттів з порошку АСД-1 в широкому діапазоні значень.
Практична цінність. Отримані залежності мікротвердості покриттів від параметрів процесу можуть бути використані при розробленні науково-обґрунтованих рекомендацій та технологічних процесів напилювання захисних й відновлювальних покриттів холодним газодинамічним методом, зокрема на деталі авіаційних двигунів.
EN: Purpose. To investigate the effect of the main parameters of the cold spraying process, particularly the temperature and pressure of the gas at the nozzle inlet and stand-off distance, on the microhardness of the ASD-1 aluminum coating.
Research methods. The planning and conducting of experimental research were carried out using the design of experiment methodology and regression analysis. The analysis of the obtained results of the experiments was carried out in the software package for statistical data Stat-Ease 360. The research of the microhardness of the sprayed coatings was carried out following GOST 9450-76 “Measurements microhardness by diamond instruments indentation@ using a LECO AMH5 micro-Vickers hardness tester on the prepared cross-section of samples with coatings.
Results. Three-dimensional (response surfaces) and contour graphs of the dependence of the microhardness of coatings deposited by the cold spraying method from ASD-1 powder on the main process parameters - the temperature and pressure of the gas at the nozzle inlet and stand-off distance in a wide range of values - were constructed. According to the results, it was established that the gas temperature and the spraying distance have the most significant influence on the microhardness of the coatings. The relationship between the investigated parameters of spraying with the temperature and velocity characteristics of the powder particles and their effect on the microhardness is described.
Scientific novelty. The complex effect of the main parameters of the cold spraying process, particularly the temperature and gas pressure at the nozzle inlet and the stand-off distance, on the microhardness of ASD-1 aluminum coatings in a wide range of values, was investigated.
Practical value. The obtained dependences of coating microhardness on process parameters can be used in developing scientifically-based recommendations and technological processes of deposition of protective and restorative coatings by cold spraying, particularly on parts of aircraft engines.
Двовимірна задача термопружності для багаташарової основи з гладким контактом між шарами
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2025) Антоненко, Ніна Миколаївна; Ткаченко, Ірина; Antonenko, Nina; Tkachenko, Iryna
UK: Мета роботи. Отримати формули для визначення термо-напружено-деформованого стану шаруватої плити з гладким контактом між шарами, що лежить на абсолютно жорсткій півплощині, та проілюструвати вплив теплових навантажень на розподіл напружень в її точках.
Методи дослідження. Для розв’язання задачі використано інтегральне перетворення Фур’є та метод функцій податливості.
Отримані результати. Представлено аналітичний розв’язок двовимірної задачі термопружності для окремого однорідного шару, межі якого вільні від дотичних навантажень. Розв’язок побудовано з використанням інтегрального перетворення Фур’є, що дозволило понизити порядок задачі та від рівнянь в
частинних похідних перейти до звичайних диференціальних рівнянь. Компоненти термо-напружено-деформованого стану шару представлено у вигляді комбінацій допоміжних функцій: нормальних напружень, вертикальних переміщень, температури та теплового потоку на верхній межі шару. Отримано рекурентні співвідношення між допоміжними функціями сусідніх шарів багатошарової термопружної основи, що розглядається. Встановлено, що допоміжні функції окремого шару пов’язані між собою лінійними залежностями, коефіцієнти яких називаються функціями податливості. На основі побудованих рекурентних співвідношень отримано функції податливості для багатошарової основи за умови гладкого контакту між шарами. Як приклад практичного застосування запропонованого методу розглянуто двошарову основу, що складається з бетонного та сталевого шарів, які лежать на абсолютно жорсткій півплощині. Для цієї моделі визначено розподіли нормальних напружень у верхньому шарі, а також досліджено вплив теплового навантаження на їхню зміну. Аналіз результатів показав, що врахування термопружних властивостей матеріалів має суттєвий вплив на формування напружень у шарах основи. Отримані результати можуть бути використані при проєктуванні багатошарових конструкцій, зокрема основ транспортних споруд та будівель, які зазнають дії змінних температурних полів.
Наукова новизна. Метод функцій податливості поширено на двовимірну задачу термопружності для шаруватої основи з гладким контактом між шарами.
Практична цінність. Отримані формули можуть бути застосовані для розрахунку на міцність фундаментів споруд, підлог заводських цехів, аеродромних та дорожніх покриттів, які експлуатуються під впливом високих температур. Результати можуть бути використаними також в якості тестових при розв’язанні поставленої задачі іншими методами.
EN: Purpose. To obtain analytical expressions describing the thermo-stress-strain state of a layered plate with smooth interlayer contact, resting on a perfectly rigid half-plane, and to illustrate the influence of thermal loads on the stress distribution at its points.
Research methods. The Fourier integral transform and the compliance function method are used to solve the problem.
Results. An analytical solution is presented for the two-dimensional thermoelastic problem of a single homogeneous layer with boundaries free of shear stresses. The solution is constructed using the Fourier integral transform, which reduces the order of the problem and converts the governing partial differential equations into ordinary differential equations. The components of the thermo-stress-strain state of the layer are represented as combinations of auxiliary functions: normal stresses, vertical displacements, temperature, and heat flux at the upper boundary of the layer. Recurrent relations are obtained between the auxiliary functions of adjacent layers in a multilayered thermoelastic foundation. It is shown that the auxiliary functions of an individual layer are related to each other by linear dependencies, the coefficients of which are referred to as compliance functions. Based on the derived recurrence relations, compliance functions are obtained for the multilayered foundation under the assumption of smooth contact between the layers. As an example of practical application of the proposed method, a two-layer foundation consisting of concrete and steel layers resting on a perfectly rigid half-plane is considered. For this model, the distributions of normal stresses in the upper layer are determined, and the influence of thermal loading on their variation is analyzed. The results demonstrate that accounting for the thermoelastic properties of materials significantly affects the stress formation within the layers of the foundation. The obtained findings may be used in the design of multilayer structures, particularly the foundations of transport infrastructure and buildings subjected to variable thermal fields.
Scientific novelty. The compliance function method is extended to the two-dimensional thermoelastic problem of a layered foundation with smooth contact between layers.
Practical value. The derived formulas can be used for the strength analysis of building foundations, industrial floor slabs, as well as airfield and pavement structures subjected to high-temperature conditions. The results may also serve as benchmark solutions for validating the proposed problem when solved using alternative methods.