Перед спеціалістами у будівництві, авіації, машинобудуванні, енергетиці, приладобудуванні, військовій й оборонній сфері, ракетно-космічній та іншій техніці одними з перших виникають питання несучої здатності конструкцій та їх окремих вузлів. Визначають і розраховують її у Науково-дослідному інституті будівельної механіки (НДІБМ) та на кафедрі будівельної механіки КНУБА на основі комп’ютерного моделювання процесів деформування в умовах складних зовнішніх впливів. Так працює наукова школа будівельної механіки Київського національного університету будівництва і архітектури. Використання результатів цієї роботи дозволяє провести заміну чисельних тривалих та високовартісних експериментів, необхідних для визначення несучої здатності конструкцій, що суттєво знижує вартість і трудомісткість отримання результатів, а також створює можливість передбачувати аварії та інші позаштатні ситуації, які можуть виникати в ході експлуатаційного навантаження. Вирішення зазначених питань є важливим з точки зору економічної ефективності процедур проектування нових зразків техніки та технічного супроводу процесів експлуатації.
А починалась наукова школа будівельної механіки ще у 1961 році. В Київському національному університеті будівництва і архітектури (на той час Київському інженерно-будівельному інституті – КІБІ) за ініціативою завідувача кафедри будівельної механіки, доктора технічних наук, професора Давида Веніаміновича Вайнберга була створена Науково-дослідна лабораторія тонкостінних просторових конструкцій (НДЛ ТПК). Науково-дослідна лабораторія тонкостінних просторових конструкцій за короткий час увійшла до числа найбільш відомих наукових колективів у галузі будівельної механіки і механіки деформованого твердого тіла. І в 1966 році була переорганізована в Проблемну науково-дослідну лабораторію тонкостінних просторових конструкцій.
Уже з перших кроків діяльності Проблемної лабораторії було прийнято рішення, яке згодом повністю себе
виправдало: найбільш доцільно створювати універсальні системи, які дозволяли б розв’язувати широке коло задач. Тому виключною особливістю теоретичних і прикладних досліджень, що проводились, був їх універсальний та всеохоплюючий характер. Виходячи з цього завдання, у Проблемній науково-дослідній лабораторії тонкостінних просторових конструкцій у цей період широкого розмаху набули дослідження з розробки і застосування чисельних методів розрахунку конструкцій.
Зростання Лабораторії, ускладнення та поглиблення проблем, що вивчалися, призвели в 1975 р. до розподілу роботи по відділах і секторах. В цей період були закладені основи Наукової школи із створення теорії та методів розв’язання складних нелінійних задач будівельної механіки та механіки деформованого твердого тіла. Результатом діяльності цієї Наукової школи стала підготовка значної кількості висококваліфікованих фахівців в галузі будівельної механіки і механіки деформованого твердого тіла. З 1988 року в КНУБА працює спеціалізована вчена рада з захисту докторських дисертацій (Д.26.056.04) із спеціальностей «Будівельна механіка», «Механіка деформованого твердого тіла», «Будівельні конструкції, будівлі та споруди».
Загалом за час існування Наукової школи було захищено 32 докторських і 177 кандидатських дисертації. Це дуже високий показник для технічних наук. Така тенденція спостерігається і сьогодні. В 2021 році вже захищено 2 кандидатські дисертації.
На базі Проблемної науково-дослідної лабораторії тонкостінних просторових конструкцій було створено Науково-дослідний інститут будівельної механіки (НДІБМ). НДІ працює з 1991 року. І проводить фундаментальні та прикладні дослідження із теорії і методів розрахунків на міцність, стійкість та коливання складних просторових конструкцій під дією зовнішніх впливів різної фізичної природи і створення на цій основі проблемно- та об`єктно орієнтованого програмного забезпечення. З дня заснування НДІБМ КНУБА керував доктор технічних наук, професор, академік Національної академії педагогічних наук України Віктор Андрійович Баженов, Заслужений діяч науки і техніки України, Лауреат Державної премії України в галузі науки і техніки 1991 та 2003 років і Державної премії України в галузі освіти 2013 року. На жаль в 2021 році видатний вчений-механік пішов з життя. Але Віктора Андрійовича Баженова – фундатора наукової школи з теорії і методів математичного моделювання, сучасних чисельних методів розв’язання задач будівельної механіки будуть довго пам’ятати, адже окрім видатних наукових досягнень, він був прекрасною людиною, щирим надійним другом, доброзичливим порадником, професіоналом своєї справи.
Нині Науковою школою будівельної механіки КНУБА опікується доктор технічних наук, професор, академік Академії будівництва України та Академії інженерних наук України, член Національного комітету України з теоретичної та прикладної механіки Петро Петрович Лізунов.
Результати робіт Наукової школи будівельної механіки КНУБА мають практичне застосування для розв’язання задач міцності, жорсткості, стійкості, моделювання коливальних процесів та визначення несучої здатності будівельних конструкцій та споруд, їх окремих частин, а також відповідальних елементів конструкцій машин, що працюють в різних галузях техніки, зокрема лопатки газових і парових турбін, ротори турбін, корпус ядерного реактора, пологі оболонки перекриттів підземних і наземних споруд, несучі елементи веж і щогл, стержневі системи, ємності високого тиску, елементи запірної арматури, демпферні пристрої та низка інших відповідальних об’єктів.
Постійно проводяться спільні наукові дослідження з Інститутом механіки ім. С.П. Тимошенка, Інститутом проблем міцності ім. Г.С. Писаренка, Інститутом електрозварювання ім. Є. О. Патона та з науково-дослідними установами в галузі будівництва ‑ Державним Науково-дослідним інститутом будівельних конструкцій (НДІБК), Науково-дослідним інститутом будівельного виробництва (НДІБВ), ТОВ «Укрінсталькон ім. В.М. Шимановського», з промисловими підприємствами в галузі машинобудування ‑ Державним підприємством “Науково-виробничий комплекс газотурбобудування “Зоря-Машпроект”, ЗМКБ Прогрес”, АТ “Мотор-Січ”. За результатами проходить апробація фундаментальних і прикладних результатів, а також їх впровадження.
Школою будівельної механіки щорічно виконується 6 фундаментальних науково-дослідних робіт. Тематика робіт визначається актуальними потребами сучасної науки і техніки, а реалізація – використанням методів і засобів комп’ютерної механіки. Зазначені фундаментальні науково-дослідні роботи фінансуються Міністерством освіти і науки України за рахунок видатків державного бюджету на підставі результатів відкритого конкурсу проектів. Тривалість виконання такої роботи – 3 роки.
В останній час найсуттєвіших результатів було досягнуто у наступних напрямках:
- Створенні і реалізації на основі методу скінченних елементів методики обчислення параметрів лінійної і нелінійної механіки руйнування та моделювання росту тріщин у просторових тілах. Вирішено проблему отримання достовірних інваріантних (незалежних від контуру інтегрування) величин J-інтеграла Черепанова-Райса, в тому числі при змішаному руйнуванні. Це дозволяє проводити розрахунки на тріщиностійкість і визначення несучої здатності просторових та кругових вісесиметричних тіл і передбачати час розвитку тріщин, що дозволяє попереджати можливе руйнування конструкцій.
- Розробленні і реалізації методики скінченно-елементного моделювання еволюційних задач тривалого деформування просторових тіл в умовах повзучості з урахуванням накопичення пошкодження матеріалу і визначення ресурсу при тривалому навантаженні в умовах високих температур. Це дозволяє проводити визначення ресурсу експлуатації роторів та лопаток парових та газових турбін, паропроводів та іншого обладнання енергетичного і транспортного призначення, яке працює в умовах тривалих навантажень при високих температурах. Впровадження цих розробок проводилось на Державному підприємстві «Науково-виробничий комплекс газотурбобудування «Зоря-Машпроект»».
- Проведенні розробки і реалізації методик скінченно-елементного дослідження
невстановлених температурних полів та пружно-пластичного деформування просторових тіл та дослідження геометрично-нелінійного деформування, стійкості і коливань масивних, тонкостінних та комбінованих вісесиметричних конструкцій при термосиловому навантаженні, що в комплексі утворює чисельний апарат для розв‘язання задач деформування таких об‘єктів як посудини і балони високого тиску, тонкостінні ємності різного призначення, а також технологічних задач обробки матеріалів, що супроводжуються суттєвим зміненням форми (ковка, витяжка, штамповка). Це дозволяє, зокрема, прогнозувати і удосконалювати технологічні режими виготовлення різноманітних виробів. - Розробленні і реалізації методів дослідження складних режимів коливань елементів конструкцій різної вимірності та геометрії. Результати виконаних досліджень можуть бути використані при розробці методик, що застосовуються при аналізі протікання вібраційних процесів у віброударних системах різної конфігурації при зовнішніх навантаженнях в будівництві, авіа- і машинобудуванні та інших галузях техніки, де в якості конструктивних елементів використовуються масивні та тонкостінні тіла складної форми, що можуть зазнавати впливу стохастичних та ударних навантажень. Результати використані у спільних розробках із Українським Антарктичним центром. Зокрема, визначені динамічні характеристики складної оболонкової конструкції, необхідні для розрахунку на дію стохастичного вітрового навантаження паливного резервуара, який забезпечує безперебійну роботу Української станції в Антарктиці.
- Розробленні нової модифікації ізопараметричного просторового багатошарового скінченного елемента, можливості якого збільшені за рахунок введення додаткових змінних параметрів на основі єдиної розрахункової моделі. Це дозволяє розглядати тонкі оболонки
складної форми з геометричними та фізико-механічними неоднорідностями. Розроблено та реалізовано скінченно-елементну методику дослідження нелінійного деформування, втрати стійкості та закритичної поведінки різних класів пружних неоднорідних оболонок при силових і температурних навантаженнях. Це дозволяє оцінювати стійкість тонких оболонок конструктивних елементів конструкцій і прогнозувати можливу втрату стійкості оболонкової системи. - Розробленні ефективного комбінованого алгоритму для аналізу впливу параметрів конструктивних елементів оболонок та параметрів статичного термосилового навантаження на стійкість і власні коливання пружних тонкостінних конструкцій. Алгоритм побудований на базі універсального просторового скінченного елемента та єдиної розрахункової моделі, що враховує різні геометричні особливості конструктивних елементів оболонки. Розроблено методику дослідження впливу початкових недосконалостей форми оболонки на стійкість і міцність конструкції. Це дозволяє досліджувати стійкість та виконувати модальний аналіз оболонок ускладненої геометричної структури при дії термосилових навантажень та визначати момент втрати стійкості за динамічним критерієм.
- Побудовані універсальні математичні та нові розрахункові моделі для комплексного підходу до розв’язання задач динамічної механіки руйнування при використанні коректних формулювань J-інтеграла як часткового випадку T* та Г інтегралів до визначення параметрів динамічної механіки руйнування. Розроблено новий спеціальний скінченний елемент для моделювання процесів деформування тіл з тріщинами в масивних просторових тілах під дією динамічного навантаження, на основі якого побудовано нові розрахункові алгоритми напіваналітичного методу скінченних елементів. Це дозволяє досліджувати поведінку конструкції в умовах інтенсивного пластичного деформування та враховувати зміни граничних умов на берегах тріщини.
Перелічені результати мають важливе наукове значення для комп’ютерного моделювання перебігу механічних процесів у просторових тілах, що ґрунтується на використанні чисельних методів будівельної механіки. Отримані результати створюють науковий і методологічний фундамент для розробки сучасних конкурентоспроможних і ефективних програмних засобів у наукових, дослідницьких та проектних організаціях, зокрема, для розрахунку на міцність відповідальних елементів конструкцій.
- Розробленні ефективного комбінованого алгоритму для аналізу впливу параметрів конструктивних елементів оболонок та параметрів статичного термосилового навантаження на стійкість і власні коливання пружних тонкостінних конструкцій. Алгоритм побудований на базі універсального просторового скінченного елемента та єдиної розрахункової моделі, що враховує різні геометричні особливості конструктивних елементів оболонки. Розроблено методику дослідження впливу початкових недосконалостей форми оболонки на стійкість і міцність конструкції. Це дозволяє досліджувати стійкість та виконувати модальний аналіз оболонок ускладненої геометричної структури при дії термосилових навантажень та визначати момент втрати стійкості за динамічним критерієм.
- Побудовані універсальні моделі математичні та нові розрахункові для комплексного підходу до розв’язання задач динамічної механіки руйнування при використанні коректних формулювань J-інтеграла як часткового випадку T* та Г інтегралів до визначення параметрів динамічної механіки руйнування. Розроблено новий спеціальний скінченний елемент для моделювання процесів деформування тіл з тріщинами та розвитку тріщини в масивних просторових тілах під дією динамічного навантаження, на основі якого побудовано нові розрахункові алгоритми напіваналітичного методу скінченних елементів. Це дозволяє досліджувати поведінку конструкції в умовах інтенсивного пластичного деформування та враховувати зміни граничних умов по берегах тріщини.
Перелічені результати мають важливе наукове значення для комп’ютерного моделювання перебігу механічних процесів у просторових тілах, що ґрунтується на використанні чисельних методів будівельної механіки. Отримані результати створюють науковий і методологічний фундамент для розробки сучасних конкурентоспроможних і ефективних програмних засобів у наукових, дослідницьких та проектних організаціях (зокрема, при розробці скінченно-елементних програмних комплексів розв’язання задачі механіки для розрахунку на міцність відповідальних елементів конструкцій).
В цілому застосування результатів дозволить вийти на новий рівень аналізу міцності елементів конструкцій при довготривалих сталих та циклічних навантаженнях і визначення їх несучої здатності.
Наукові статті про всі результати фундаментальних досліджень з актуальних проблем опору матеріалів, будівельної механіки, механіки деформованого твердого тіла, теорії споруд, суміжних прикладних проблем міцності і надійності в машинобудуванні, будівництві та інших галузях сучасної техніки друкуються у збірнику «Опір матеріалів і теорія споруд». Також у збірнику висвітлюються питання викладання будівельної механіки та подається інформація про нові тематичні навчальні і наукові видання.
Науково-технічний збірник «Опір матеріалів і теорія споруд» (Strength of Materials and Theory of Structures: Scientific-and-technical collected articles) ISSN 2410-2547 був заснований у 1965 році. Всі 56 років існування збірника підготовка і видання здійснюються на базі Наукової школи будівельної механіки КНУБА. З 2017 року за рішенням Наукової ради Міністерства освіти і науки України збірник має особливий статус фахового видання для публікації результатів НДР, які виконуються в наукових установах України за рахунок держбюджетного фінансування за напрямом «Механіка». Збірник отримав категорію А відповідно до Порядку формування Переліку наукових фахових видань України. Широта проблематики статей та сучасні засоби електронного розповсюдження матеріалів збірника «Опір матеріалів і теорія споруд» роблять його корисним для дослідників, викладачів, аспірантів і студентів, інженерів-будівельників, інших фахівців у галузі механіки, а також для всіх, хто цікавиться сучасними проблемами механіки.
В цілому за час існування Наукової школи було підготовлено понад 1500 наукових статей і доповідей на конференціях різного рівня, видано близько 50 монографій, присвячених різноманітним проблемам механіки деформованого твердого тіла та будівельної механіки.
Науково-дослідний інститут будівельної механіки проводить широке міжнародне співробітництво щодо виконання спільних наукових досліджень, що знайшло відображення у розробці спільних проектів за програмою HORIZONT-2020, а також з підготовки кадрів та розробці методичних аспектів викладання навчальних дисциплін з механіки та міцності матеріалів і конструкцій за програмою ERASMUS+. На цій основі НДІ БМ співпрацює з Сіанським металургійним та інженерно-будівельним інститутом (Китай), Технічним університетом міста Брауншвауг (Німеччина). Співробітники НДІБМ проходили стажування за кордоном в університетах м. Інсбрук (Австрія )та Бохумському технічному університеті (Німеччина). Також має місце наукове співробітництво з Інститутом досліджень звуку і вібрації (Англія), Хоуренським технологічним університетом, Нью-Йоркським міським університетом, університетом Ротжерс (США), Католицьким університетом (Бразилія), Університетом Ньюкастлу (Австралія).
З 2015 р. на базі КНУБА та НДІБМ у співпраці з НПО «SCADSOFT» щорічно проводяться міжнародні науково-технічні конференції «Сучасні методи і проблемно-орієнтовані комплекси розрахунку конструкцій і їх застосування у проектуванні і навчальному процесі». Конференція проходить за участю науковців з Литви, Німеччини, Польщі, Росії та інших країн.
Дані про дослідження оболонок і список основних праць співробітників підрозділу включені до веб-сайту Shell_Buckling_People (http://shellbuckling.com) (США). Сайт об’єднує роботи вчених, які роблять значний внесок в галузь дослідження стійкості та коливань оболонок, і сприяє міжнародному співробітництву науковців усього світу. Результати наукових досліджень, які виконуються у НДІБМ регулярно публікуються в закордонних наукових виданнях різного рівня, зокрема викладені у монографіях та наукових статтях, опублікованих за кордоном.
Студенти теж можуть засвоїти новітні дослідження, скориставшись електронним підручником «Будівельна механіка», електронним навчальним посібником, програмними комплексами АСИСТЕНТ, КОНТРОЛЬ та ОЛІМПІАДА. У навчальному процесі широко застосовують оригінальні програмні комплекси АСИСТЕНТ і КОНТРОЛЬ, які розроблені викладачами кафедри Будівельної механіки. Всі програмні розробки розташовано на сайті КНУБА і доступ до них не обмежено. Таким чином, результати науково дослідних робіт постійно впроваджуються у навчальний процес.
Наукова школа будівельної механіки продовжує активно працювати. На наступні п’ять років визначено такі пріоритетні тематичні напрями наукових досліджень:
- Застосування методів обчислювальної механіки до розв’язання проблем надійності та безпеки оболонкових структур.
- Чисельне моделювання процесів нелінійного деформування з урахуванням великих пластичних деформацій.
- Поширення хвиль у пружних середовищах. Чисельний аналіз на основі методів геометричної оптики та теорії потенціалу. Урахування анізотропії матеріалу, а також термо- та поропружних властивостей.
- Чисельне дослідження нелінійного деформування просторових тіл із урахуванням розвитку тріщин при статичних і динамічних навантаженнях.
- Методи передбачення, запобігання та аналізу хаотичних коливань. Сценарії переходу до хаосу у віброударних системах.
- Чисельне моделювання та аналіз нелінійного деформування, стійкості, закритичної поведінки та коливань пружних оболонок змінної жорсткості при термосилових навантаженнях.
До кінця цього року продовжуватимуться дослідження щодо «Створення комп’ютерних технологій дослідження несучої здатності просторових тіл складної форми з тріщинами на основі енергетичних критеріїв руйнування» під науковим керівництвом доктора технічних наук, професора Пискунова С.О., а також, «Чисельні методи дослідження та прогнозування нелінійних коливань, динамічної стійкості та кризових явищ і хаотичної поведінки пружних систем», науковий керівник доктор технічних наук, професор Максим’юк Ю.В. В 2022 році завершується робота над «Теорією і методами чисельного дослідження динамічного фізично та геометрично нелінійного деформування просторових тіл» під науковим керівництвом доктора технічних наук, професора Вабищевича М. О. та «Розробкою методології пошуку оптимальних проектних рішень тонкостінних стержневих систем із холодногнутих профілів з урахуванням їх закритичної роботи». Науковий керівник роботи доктор технічних наук, професор Іванченко Г.М. В 2023 будуть закінчені ще дві роботи: «Нелінійне деформування, стійкість, закритична поведінка та коливання оболонкових конструкцій спеціальної техніки в екстремальних термосилових умовах експлуатації», науковий керівник доктор технічних наук, професор Ворона Ю. В. та «Створення теорії і методів дослідження нелінійного деформування і руйнування конструкцій машин і споруд при їх контактній взаємодії із пружно-пластичним середовищем» під керівництвом доктора технічних наук, професора Солодея І.І.
Результати науково-дослідної роботи будуть використані при розробці нових розділів спецкурсу «Сучасні підходи до розрахунку просторових конструкцій при статичних і динамічних впливах», який викладається для магістрантів спеціальності 131 «Прикладна механіка» на будівельному факультеті КНУБА, спеціалізація- «Промислове та цивільне будівництво».
Як бачимо, робота в науковій школі триває. Щоправда, обсяги зменшилися. Раніше дослідження замовляли набагато більше підприємств. З усіх республік колишнього Союзу. Тепер залишилися тільки конкурси на фундаментальні дослідження в МОНУ та поодинокі замовлення від західних партнерів. Прикро, що українські підприємства в таких замовленнях участі практично не беруть. Або зупинилися або грошей бракує на дослідження. А як добре було б, щоб досягнення своїх вчених ми змогли б втілити в життя на вітчизняних підприємствах. Який крок вперед могла зробити українська економіка завдяки роботі наукової школи будівельної механіки КНУБА.
Кириченко Т.М., прес-служба КНУБА
