Автореферати та дисертаційні роботи
Permanent URI for this collectionhttps://ena.lpnu.ua/handle/ntb/2995
Browse
3 results
Search Results
Item Математичне моделювання в’язкопружного стану деревини у процесі сушіння як багатофазної системи(Національний університет "Львівська політехніка", 2013) Мокрицька, Ольга ВолодимирівнаДисертація присвячена вирішенню наукової задачі математичного моделювання деформаційно-релаксійних і тепломасообмінних процесів у гігроскопічних капілярно-пористих матеріалах як анізотропних трифазних середовищах, що має важливе значення для розроблення та обґрунтування енергоощадних технологій гідротермічного оброблення деревини із забезпеченням необхідної якості продукції. Сформульовано математичну модель тепломасоперенесення для періодів сталої і спадаючої швидкості сушіння капілярно-пористих матеріалів. Побудовано математичну модель реологічної поведінки деревини як трифазного середовища з врахуванням анізотропії тепломеханічних характеристик. Розроблено прикладне програмне забезпечення для чисельної реалізації математичних моделей на основі адаптації методу скінченних елементів. Об’єктно-орієнтоване програмне забезпечення базується на задокументованих класах, що уможливлює їх повторне використання. Показано задовільну узгодженість результатів математичного моделювання з відомими експериментальними дослідженнями для часткових випадків, що підтверджує адекватність побудованих математичних моделей. Розв’язано важливу для процесу сушіння задачу визначення в’язкопружного деформування деревини як трифазної системи з врахуванням анізотропії тепломеханічних характеристик. Встановлено нові закономірності впливу технологічних параметрів сушіння на процеси в’язкопружного деформування і тепломасоперенесення у твердій, рідкій і паровій фазах для деревини. Диссертация посвящена решению научной задачи математического моделирования деформационно-релаксационных и тепломассообменных процессов в гигроскопичных капиллярно-пористых материалах как анизотропных трехфазных средах, которая имеет важное значение для разработки и обоснования энергосберегающих технологий гидротермической обработки древесины при обеспечении требуемого качества продукции. Построена математическая модель реологического поведения древесины как трехфазной среды, состоящей из твердой (древесное вещество), жидкой и паровоздушной фаз с учетом анизотропии тепломеханических характеристик, которая позволяет учитывать упругие и вязкоупругие деформации древесины в зависимости от изменения капилярно-пористой структуры материала. Совокупность микрокапиляров представляет собой систему цилиндров в клетках древесины с переменным радиусом в зависимости от влажности в гигроскопической области древесины. Система макрокапиляров древесины моделируется различными анатомическими элементами для разных пород и описывается совокупностью параллельных капилляров различных радиусов в клеточных стенках древесины. Математическое моделирование связи между компонентами напряжений и деформаций для твердой фазы (древесина скелета) с учетом анизотропии механических свойств базируется на интегральных уравнениях Больцмана – Вольтера, которые дополнены зависимостью усыхания гигроскопических материалов от влажности. Математические модели для определения концентрации жидкости и пара, воздуха и паровоздушной смеси в древесной пластине предложены в виде дифференциальных уравнений влагопроводности с граничными условиями, характерными для первого и второго процессов сушки. Основываясь на известных решениях этих дифференциальных уравнений, а также уравнений состояния газовой фазы и закона Дальтона с учетом доли свободного объема материала от жидкости, получены общие закономерности распределения влажности и концентрации газовой смеси в древесной пластине. Разработано объектно-ориентированное прикладное программное обеспечение для численной реализации полученных математических моделей вязко-упругого деформирования древесины с учетом многофазности, которое базируется на задокументированных классах, что позволяет их повторное использование в рамках компонентного подхода для разработки других прикладных программных средств. Для численной реализации математической модели адаптирован метод конечных элементов на вязко-упругую область деформирования гетерогенной среды. Для этого получено эквивалентное вариационное формулирование математической модели определения вязко-упругого состояния на основе использования принципа минимума полной потенциальной энергии. Показано удовлетворительную согласованность результатов математического моделирования с известными экспериментальными исследованиями для частных случаев, что подтверждает адекватность построенных математических моделей. Решена важная для процесса сушки задача определения вязко-упругого деформирования древесины как трехфазной системы с учетом анизотропии тепломеханических характеристик. Установлены новые закономерности влияния технологических параметров сушки на процессы вязкоупругого деформирования и тепломассопереноса в твердой, жидкой и паровой фазах для древесины. Учет различных механизмов переноса в фазах позволяет уточнять технологические характеристики процесса сушки. The thesis is devoted to the solution of scientific problems of mathematical modeling of deformation-relaxation and heat and mass transfer processes in hygroscopic capillary-porous materials as three-phase anisotropic environments, which is essential for the development and grounding of energy-saving technologies for hydrothermal wood treatment, provided that the required product quality is achieved. Mathematical model of heat and mass transport for periods of constant and falling drying rate of capillary-porous materials is formulated. Mathematical model of the rheological behavior of wood as a three-phase environment, taking into account the anisotropy of heat and mechanical properties, is developed. Applied software for numerical implementation of mathematical models based on adaptation of finite element method is developed. Object-oriented software is based on documented classes, allowing to reuse them. Satisfactory agreement of the results of mathematical modeling with known experimental studies for particular instances is shown, thus confirming the adequacy of the developed mathematical models. An important task of defining visco-elastic deformation of wood as a three-phase system, taking into account the anisotropy of mechanical properties, is solved. New regularities for influence of technological parameters on visco-elastic deformation and heat and mass transport in solid, liquid and vapor phases in the process of drying wood were found out.Item Математичне моделювання напружено-деформівного стану деревини у процесі конвективного сушіння(Національний університет "Львівська політехніка", 2013) Крошний, Ігор МиколайовичУ дисертації розв’язано актуальну наукову задачу математичного моделювання процесів тепломасоперенесення і пружнов’язкопластичного деформування з урахуванням механіко-сорбційної повзучості у гігроскопічних капілярно-пористих матеріалах зі змінними анізотропними тепломеханічними характеристиками, що має важливе значення для раціонального вибору та обґрунтування енергозбережних технологій сушіння деревини за умови забезпечення необхідної якості продукції. Зреалізовано сформульовану математичну модель деформування деревини під час сушіння, яка дає змогу визначити двовимірний напружено-деформівний стан в умовах неізотермічного вологоперенесення, методом скінченних елементів. Побудовано алгоритм методу скінченних елементів для дослідження двовимірного анізотропного напружено-деформівного стану під час сушіння капілярно-пористих матеріалів у пружнов’язкопластичній області деформування з урахуванням механіко-сорбційної повзучості. Розроблено прикладне програмне забезпечення, яке складається із задокументованих класів і дає можливість автоматизувати скінченно-елементний аналіз напружено-деформівного стану деревини під час конвективного сушіння. Сформульовано та розв’язано задачу оптимізації процесу сушіння деревини, яка дає можливість визначати параметри режимів процесу сушіння з урахуванням обмежень на напружено-деформівний стан, що не перевищує границю міцності матеріалу. Запропоновано спосіб вимірювання та контролю деформацій у капілярно-пористих матеріалах під час сушіння. В диссертации решена актуальная научная задача математического моделирования процессов тепломассопереноса и упруговязкопластических деформаций с учетом механико-сорбционной ползучести в гигроскопических капиллярно-пористых материалах с переменными анизотропными тепломеханическими характеристиками, которая имеет важное значение для рационального выбора и обоснования энергосберегающих технологий сушки древесины при обеспечении необходимого качества продукции. Сформулировано математическую модель упруговязкопластических деформаций древесины в процессе сушки, которая учитывает пластические деформации, деформации, обусловленные механико-сорбционной ползучестью и анизотропией механических характеристик материала, а также позволяет определить двухмерное напряженно-деформированное состояние в условиях неизотермического влагопереноса. Для численной реализации математических моделей взаимосвязанных процессов тепломассопереноса и упруговязкопластического деформирования древесины в процессе сушки использован метод конечных элементов с учетом механико-сорбционных и пластических деформаций и механизма перерождения деформаций. Для этого на основе минимума полной потенциальной энергии получено эквивалентное вариационное формулирование задач. На основе разработанных математических моделей исследовано влияние анизотропии вязкоупругих характеристик древесины, характеристик механико-сорбционной ползучести, коэффициентов усушки на смену упруговязкопластического состояния древесины в процессе сушки. Разработанные математические модели и сформулированная задача оптимизации позволяют связывать параметры технологического процесса сушки древесины с температурно-влажностными полями и упруговязко-пластическими деформациями в материале. Поэтому на основе анализа закономерностей развития напряжений деформированного состояния древесины предложен способ прогнозирования и непрерывного контроля деформаций в процессе сушки гигроскопических материалов. Сочетание способа измерения деформаций и разработанного программного обеспечения с графическим интерфейсом для ввода входных данных технологического процесса сушки и визуализации результатов исследования, дает возможность сделать рациональный выбор режимных параметров процесса сушки древесины за счет прогнозирования и своевременного выявления предельно допустимых значений напряжений в материале. In the thesis there is solved a current scientific problem of mathematical modeling of heat-mass transfer processes and elastic-viscous-plastic deformation taking into account the mechanics and sorption creep in hygroscopic capillary-porous materials with variable anisotropic heat and mechanics characteristics what is of importance for the rational choice and substantiation of energy conservative technologies of timber drying under the conditions of necessary qualitative production providing. There has been implemented the formulated mathematical model of timber deformation during the drying process which enables to identify two-dimensional intense-deforming state under the conditions of non-isothermal humidity transfer by means of the finite elements method. This method has been developed for the research of the two-dimensional anisotropic intense-deforming state during the capillary-porous materials drying process in an elastic-viscous-plastic area of deformation taking into account the mechanics and sorption creep. There has been elaborated the applied software which consists of the documented classes and provides the possibility to automate the finite-elemental analysis of timber intense-deforming state during the convective drying process. The problem of timber drying process optimization has been formulated and solved which enables to define the parameters of the drying process conditions taking into consideration the restrictions on the intense-deforming state which does not exceed the solidity limit of the material. There has been suggested a method of deformation measurement and control in capillary-porous materials during the drying process.Item Математичне моделювання неізотермічного вологоперенесення і в’язкопружного стану у деревині в процесі сушіння(Національний університет "Львівська політехніка", 2010) Бакалець, Антон ВасильовичДисертація присвячена актуальній науковій задачі розробки математичної моделі дослідження тепломасоперенесення та в’язкопружного деформування деревини у процесі сушіння, яка враховує анізотропність та змінність тепломеханічних харакеристик. Реалізацію сформульованої математичної моделі здійснено методом скінченних елементів, який розвинуто на випадок дослідження в’язкопружного стану з врахуванням накопичення незворотних деформацій. Для моделювання реологічної поведінки деревини апроксимовані відомі експериментальні дані повзучості деревини під навантаженням та після розвантаження. Шляхом об’єктно-орієнтованого аналізу спроектовано та здійснена програмна реалізація моделі у вигляді задокументованих класів, що можуть бути використані повторно для реалізації інших моделей. Сформульовано та розв’язано оптимізаційну задачу вибору режимних параметрів процесу сушіння з врахуванням обмежень на напруження. Запропоновано спосіб вимірювання деформацій та контролю напружень у гігроскопічних капілярно-пористих матеріалах під час гідротермічної обробки.Диссертация посвящена актуальной научной задачи разработки математической модели тепломассопереноса и вязкоупругого состояния анизотропных гигроскопических капиллярно-пористых материалов, в том числе древесины, во время сушки. Впервые решена задача тепломассопереноса в древесине во время сушки, которая, в отличие от известных, учитывает анизотропию переменных температурно-влажностных характеристик древесины, что позволило определить изменение во времени и распределение в объеме материала взаимосвязанных полей температуры и влагосодержания. На основе методов математической физики и механики наследственных сред разработана новая математическая модель вязкоупругого деформирования древесины во время сушки, в которой установлены и использованы функции реологических поведения, учитывающие накопление необратимых деформаций материала от переменных температурно-влажностных условий. Сформулированная математическая модель, в отличие от известных, учитывает анизотропию тепломеханических харак-теристик древесины и их зависимость от переменных температурно-влажностных полей. Дальнейшее развитие получил метод конечных элементов для исследования вязкоупругой области деформирования капиллярно-пористых гигроскопических ма-териалов с переменными температурно-влажностными условиями, что позволило численно реализовать математическую модель определения вязкоупругого состояния древесины во время сушки. В нотациях объектно-ориентированного анализа и UML (Unified Modeling Language) осуществлено проектирование программной реализации метода конечных элементов, реализующего математическую модель. Созданное на основе объектно-ориентированного подхода программное обеспечение расчета неизотермического влагопереноса и вязкоупругого деформирования состоит из документированных классов, которые могут быть использованы повторно для реализации других моделей. Путем сравнения рассчитанных значений температуры и влагосодержания с известными экспериментальными проведена верификация модели, которая показала, что за различных способов аппроксимации погрешность модели тепломасопереноса не превышает 9,6%. Проверено адекватность модели вязкоупругого состояния двумя способами. Согласно первому, проведен сравнительный анализ результатов моделирования без учета реологического поведения с результатами известных упругих моделей. Согласно второму, сопоставлены результаты расчетов вязкоупругого состояния сформулированной двумерной и известных одномерных моделей. Впервые исследовано двумерное вязкоупругое состояние древесины в условиях неизотермического тепломассопереноса с учетом анизотропии переменных теп-ломеханических свойств материала. Сформулирована и решена оптимизационная задача выбора параметров режима сушки, позволяющих осуществить удаление влаги из древесины до заданного уровня, сдерживая напряжение на предельно допустимом уровне, что уменьшает риск деформирования или разрушения высушенного материала. Предложен новый способ измерения внутренней деформации капиллярно-пористых гигроскопических материалов в процессе гидротермической обработки. Способ отличается тем, что с целью непрерывного контроля внутренней деформации образца используют эталон, который изготовляют из материала тождественного к материалу образца и одинакового с образцом поперечного сечения, торцы эталона изолируют от испарение влаги, разделяют его на слои, складывают их вместе и во время или после гидротермической обработки измеряют разницу деформаций в соответствующих слоях эталона и образца. Разработанное новое устройство контроля напряжений капиллярно-пористых гигроскопических материалов в процессе гидротермической обработки, использует параметрический дистанционный преобразователь для контроля дифференциальной усадки по ее значениям в средней и крайней точках кромки. Отличается устройство тем, что для измерения дифференциальной усадки используется дифференциальный емкостный преобразователь, у которого неподвижные пластины конденсаторов закреплены на кромке доски, а подвижная пластина перемещается между неподвижным одним плечом рычага, второе плечо которого прижимается упором к одной, а ось к другой точки контроля дифференциальной усадки.The paper developed a mathematical model study of heat and mass and viscoelastic deformation of the wood during drying, which takes into account variability anisotropic heat and mechanical characteristics. Formulated mathematical model is implemented by finite elements method, which has been developed for the case of viscoelasticity. For modeling the rheological behavior of wood approximation of known experimental data on creep of wood under load and after unloading is realized. By object-oriented analysis the model is designed and software implemented in the form of documented classes, which can be used repeatedly for the implementation of other models. An optimization problem for choosing of regime parameters of the drying process is formulated and solved with regard to restrictions on the strain. The method of measuring strain and stress control in hy-groscopic capillary-porous materials during hydrothermal processing is proposed.