Геометричне моделювання пневматичних фасонних поверхонь обертання, зміцнених намоткою нитки

Куценко Леонід Миколайович

Національний університет цивільного захисту України

https://orcid.org/0000-0003-1554-8848

Руденко Світлана Юріївна

Національний університет цивільного захисту України

http://orcid.org/0000-0002-5688-0639

Калиновський Андрій Якович

Національний університет цивільного захисту України

http://orcid.org/0000-0002-1021-5799

Поліванов Олександр Геннадійович

Національний університет цивільного захисту України

http://orcid.org/0000-0002-6396-1680

Сухарькова Олена Іванівна

Національний університет цивільного захисту України

http://orcid.org/0000-0003-1033-4728

DOI: https://doi.org/10.52363/2524-0226-2024-39-15

Ключові слова: меридіан обертання, середня кривина поверхні, гофрована поверхня обертання, армування намотуванням

Анотація

Запропоновано схему наближеного розрахунку геометричних форм сім’ї меридіанів гумової пневматичної фасонної поверхні обертання залежно від функції зміни середньої кривини вздовж осі цієї поверхні. Одержану фасонну поверхню обертання передбачається зміцнювати намотуванням нитки у вздовж напрямів геодезичних кривих знайденої поверхні. В роботі наведено спосіб опису меридіанів поверхонь обертання шляхом розв’язання прямої і оберненої задач. Пояснено недоліки розв’язків прямої задачі, де одержуються незручні форми поверхонь для застосуванні у пневматичних виробах. Розв’язки оберненої задачі дозволяють одержати форми фасонних поверхонь обертання, коли зусилля спрямовані вздовж їх осей обертання. Розв’язок оберненої задачі одержано на базі застосування диференціальних рівнянь Фур’є. Також здійснено побудову фасонної поверхні обертання з намоткою по геодезичних з урахуванням кривини меридіана. В добавок наведено спосіб визначення геодезичної намотки на гофрований поверхні обертання з меридіаном пилкоподібної форми. Зазначено, що моделювання пневматичної поверхні доцільно здійснювати на основі обчислення її середньої кривини. Тому що значення середньої кривини поверхні розділу двох врівноважених фізичних середовищ буде пропорційне різниці значень тисків у цих середовищах. Варіюючи середню кривину поверхні, можна обирати величину тиску, яку витримає пневматичний виріб. Встановлено існування двох варіантів фасонних поверхонь обертання («жорстких» та «м’яких»). Перший варіант призначено для застосування в звичайних транспортних засобах з пневматичними подушками форми торів. Другий варіант орієнтовано на транспортні засоби спеціального призначення, де «м’якість» підвіски забезпечить проходимість по шляхам зі складним рельєфом. Для практики проведені дослідження корисні і важливі тому, що вони дозволяють будувати геодезичні лише на фрагментах фасонних поверхонь, які схильні до руйнування.

Посилання

1. Гідравлічне та пневматичне аварійно-рятувальне обладнання з приналежностями. Weber-hydraulik Ukraine, 2020. 41 с. URL: https://www.weber-rescue.com.ua/wp-content/uploads/2020/10/Katalog-2020.pdf
2. Пожежна та аварійно-рятувальна техніка. Історія, сьогодення, минуле : монографія / О. М. Ларін та ін. Харків : НУЦЗУ, 2005. 160 с.
3. Борисенко О. А. Диференціальна геометрія і топологія. Харків : Основа, 1995. 304 с.
4. Задачин В. М., Конюшенко І. Г. Чисельні методи: навч. посіб. Харків: ХНЕУ ім. С. Кузнеця, 2014. 180 с.
5. Малишко П. Е., Орлов М. Є. Конструювання балонів для зберігання стисненого газу. Збірник тез доповідей: Зб. тез доп. 76-ї всеукр. науково-практ. студент. онлайн-конф. «Наук. здобутки студентів у дослідж. техн. та біоенерг. систем природокористування: конструювання та дизайн». Ф-т, м. Київ, 26–27 квітня 2023. С. 63–64.
6. Mladenov I. M., Hadzhilazova M. T. Geometry of the anisotropic minimal surfaces. Analele Universitatii "Ovidius" Constanta - Seria Matematica. 2012. Vol. 20(2). P. 79–88. URL: https://doi.org/10.2478/v10309-012-0042-3
7. Perdomo O. M. The treadmillsled of a curve. arXivLabs. 17 May 2011. URL: https://arxiv.org/abs/1105.3460v1
8. Kenmotsu K. Surfaces of revolution with prescribed mean curvature. Tohoku Mathematical Journal. 1980. Vol. 32. № 1. P. 147–153. URL: https://doi.org/10.2748/tmj/1178229688
9. Hoffmann T. Discrete Rotational CMC Surfaces and the Elliptic Billiard. In: Hege, HC., Polthier, K. (eds) Mathematical Visualization. Springer. 1998. Р. 117–124. URL: https://doi.org/10.1007/978-3-662-03567-2_9
10. Cho J., Leschke K., Ogata Y. Generalised Bianchi permutability for isothermic surfaces. Annals of Global Analysis and Geometry. 2022. Vol. 61. P. 799–829. URL: https://doi.org/10.1007/s10455-022-09833-5
11. Chao Y., Shen L. M., Liu M. P. Mechanical characteristic and analytical model of novel air spring for ergonomic mattress. Mechanics & Industry. 2021. Vol. 22. 37. URL: https://doi.org/10.1051/meca/2021035
12. de Melo F., Pereira A., Morais A. The Simulation of an Automotive Air Spring Suspension Using a Pseudo-Dynamic Procedure. Applied Sciences. 2018. Vol. 8. № 7. P. 1049. URL: https://doi.org/10.3390/app8071049
13. Renka R. J. A Simple and Efficient Method for Modeling Constant Mean Curvature Surfaces. SIAM Journal on Scientific Computing. 2015. Vol. 37. № 4. P. A2076–A2099. URL: https://doi.org/10.1137/140972275
14. Pneumatic Artificial Muscles URL: https://softroboticstoolkit.com/book/export/html/168891
15. Al-Ibadi A., Nefti-Meziani S., Davis S. Active Soft End Effectors for Efficient Grasping and Safe Handling. IEEE Access. 2018. Vol. 6. P. 23591–23601. URL: https://doi.org/10.1109/access.2018.2829351
16. Du H., Liu W., Bian X., Xiong W. Energy-Saving for Industrial Pneumatic Actuation Systems by Exhausted Air Reuse Based on a Constant Pressure Elastic Accumulator. Sustainability. 2022. Vol. 14. № 6. P. 3535. URL: https://doi.org/10.3390/su14063535
17. Paragoda T. Constant Mean Curvature Surfaces of Revolution versus Willmore Surfaces of Revolution: A Comparative Study with Physical Applications. Texas Tech University, 2014. 42 p.
18. Ciric M. Notes on constant mean curvature surfaces and their graphical presentation. Filomat. 2009. Vol. 23. № 2. P. 97–107. URL: https://doi.org/10.2298/fil0902097c
19. Hoque M. A., Petersen E., Fang X. Effect of Material Properties on Fiber-Shaped Pneumatic Actuators Performance. Actuators. 2023. Vol. 12. № 3. P. 129. URL: https://doi.org/10.3390/act12030129
20. Pan H., Choi Y.-K., Liu Y., Hu W., Du Q., Polthier K., et al. Robust modeling of constant mean curvature surfaces. ACM Transactions on Graphics. 2012. Vol. 31. № 4. P. 1–11. URL: https://doi.org/10.1145/2185520.2185581
21. Arnal A., Lluch A., Monterde J. Triangular Bґezier approximations to Constant Mean Curvature surfaces Conference: Computational Science - ICCS 2008, 8th International Conference, Kraków, Poland, June 23–25. 2008. Proceedings, Part II. DOI:10.1007/978-3-540-69387-1_11
22. Ball E., Garcia E. Effects of Bladder Geometry in Pneumatic Artificial Muscles. Journal of Medical Devices. 2016. Vol. 10. № 4. URL: https://doi.org/10.1115/1.4033325
23. Пилипака С., Коровіна І. Конструювання поверхонь обертання сталої середньої кривини. Матеріали ІІІ Всеукраїнської науково-практичної конференції «Перспективи розвитку агропромислового комплексу в Поліському регіоні України». Ніжин: Міланік. 2010. С. 35–43.
24. Руденко С. Ю. Поверхні обертання, у яких значення середньої кривини близькі до нуля. Прикладна геометрія та інженерна графіка. К.: Будівельник. 2013. Вип. 91. С. 240–244.
25. Руденко С. Ю. Геометричне моделювання фасонних поверхонь обертання, зміцнених намотуванням нитки : автореф. дис. канд. техн. наук : 05.01.01. Київ, 2013. 24 с.
26. Куценко Л., Руденко С. Поверхні обертання зі змінної уздовж осі кривиною меридіанів та їх зміцнення шляхом намотування кевларової нитки. Комп’ютерно-інтегровані технології: освіта, наука, виробництво. Луцьк: ЛДТУ. 2011. Вип. 6. С. 148–153.

Закономірності виникнення пожеж в містах під час воєнного стану

Коваленко Роман Іванович

Національний університет цивільного захисту України

http://orcid.org/0000-0003-2083-7601

Назаренко Сергій Юрійович

Національний університет цивільного захисту України

http://orcid.org/0000-0003-0891-0335

Михлюк Едуард Ігорович

Національний університет цивільного захисту України

http://orcid.org/0000-0003-4850-3566

Остапов Костянтин Михайлович

Національний університет цивільного захисту України

http://orcid.org/0000-0002-1275-741X

DOI: https://doi.org/10.52363/2524-0226-2024-39-13

Ключові слова: пожежа, воєнний стан, гіпотеза, закон розподілу, аварійно-рятувальне формування, критерій Пірсона

Анотація

Досліджено процес виникнення пожеж в містах України з чисельністю населення понад 500 тисяч осіб. Предметом дослідження є статистичні закономірності, які дозволяють описати процес виникнення пожеж в містах України з чисельністю населення понад 500 тисяч осіб. Опрацьовано дані про пожежі, які виникали за період з 2021 по 2023 рік. Окремо досліджувалися статистичні дані по кожному місту і по кожному року. Серед статистичних закономірностей роз-глядалися нормальні та дискретні закони розподілу, а саме: нормальний, експоненційний, гамма, логнормальний, хі-квадрат, Пуассона та геометричний. Очікувалося, що найімовірніше процес виникнення пожеж може бути описаний законом розподілу Пуассона, враховуючи те, що у бага-тьох з попередньо аналізованих робіт так вважалося. Встановлено, що ні до введення воєнного стану ні після його введення процес виникнення пожеж в містах України з чисельністю населен-ня понад 500 тисяч осіб не може бути описаний законом розподілу Пуассона. Натомість в окре-мих випадках цей процес може бути описаний експоненційним законом розподілу, що не зовсім є зрозумілим. Крім цього, не виявлено залежності між розрахованими значеннями стандартного відхилення і досліджуваними статистичними закономірностями виникнення пожеж. Досліджен-ня обмежується тим, що не можна порівняти отримані результати з іншими подібними, які вико-нувалися в період з 2021 по 2023 рік для інших міст світу. Основним недоліком цих досліджень є те, що можливість отримання статистичних даних про пожежі за попередні періоди по містам України є обмеженою. Відповідно це не дозволяє визначити, якими статистичними законами розподілу описувався або не описувався процес виникнення пожеж в той період часу. В подаль-шому планується дослідити можливість встановлення закону розподілу для процесу виникнення пожеж в містах з чисельністю населення менше 500 тисяч осіб.

Посилання

1. Tiutiunyk V., Ivanets H., Tolkunov I., Stetsyuk E. System approach for readiness assessment units of civil defense to actions at emergency situations. Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu. 2018. № 1. P. 99–105. doi: 10.29202/nvngu/2018-1/7
2. Gudmundsson L., Rego F., Rocha M., Seneviratne S. Predicting above normal wildfire activity in southern Europe as a function of meteorological drought. Environmen-tal Research Letters. 2014. Vol. 9. 084008. doi: 10.1088/1748-9326/9/8/084008
3. Marcos R., Turco M., Bedía J., Llasat M. C., Provenzale A. Seasonal predicta-bility of summer fires in a Mediterranean environment. International Journal of Wildland Fire. 2015. № 24(8). P. 1076–1084. doi: 10.1071/WF15079
4. Guangyin J., Qi W., Cunchao Z., Yanghe F., Jincai H., Xingchen H. Urban Fire Situation Forecasting: Deep sequence learning with spatio-temporal dynamics. Applied Soft Computing. 2020. № 97. 106730. doi: 10.1016/j.asoc.2020.106730
5. Gorzelanczyk P. Using neural networks to forecast the number of road acci-dents in Poland taking into account weather conditions. Results in Engineering. 2023. № 17. 100981. doi: 10.20858/sjsutst.2023.118.4
6. Usanov D., G. A. Guido Legemaate, Peter M. van de Ven, Rob D. van der Mei. Fire truck relocation during major incidents. Naval Research Logistics. 2019. Vol. 66. № 2. P. 105–122. doi: 10.1002/nav.21831
7. Kovalenko R., Kalynovskyi A., Nazarenko S., Kryvoshei B., Grinchenko E., Demydov Z., Mordvyntsev M., Kaidalov R. Development of a method of completing emergency rescue units with emergency vehiclesdoi. Eastern-European Journal of Enter-prise Technologies. 2019. № 3(100). P. 54–62. doi: 10.15587/1729-4061.2019.175110
8. Bilir S., Gurcanli G. E. A Method to Calculate the Accident Probabilities in Construction Industry Using a Poisson Distribution Model. Advances in Safety Man-agement and Human Factors: Proceedings of the AHFE 2016 International Conference on Safety Management and Human Factors, July 27–31, 2016. Florida: Walt Disney World. 2016. P. 513–523.
9. Ribeiro E. E., Zeviani W. M., Hinde J. Reparametrization of COM–Poisson re-gression models with applications in the analysis of experimental data. Statistical Mod-elling. 2019. Vol. 20. № 5. doi: 10.1177/1471082X19838651
10. Коваленко Р. І., Назаренко С. Ю., Михлюк Е. І., Семків В. О. Статистичні закономірності виникнення пожеж в містах під час воєнного стану. Проблеми надзвичайних ситуацій. Харків. 2023. № 2(38). С. 194–207.

Аналіз характеристик дефектів шин пожежних автоцистерн та методика їх визначення

Коханенко Володимир Богданович

Національний університет цивільного захисту України

http://orcid.org/0000-0001-5555-5239

Кривошей Борис Іванович

Національний університет цивільного захисту України

http://orcid.org/0000-0002-2561-5568

DOI: https://doi.org/10.52363/2524-0226-2024-39-14

Ключові слова: пожежна автоцистерна, радіальна шина, теплове випромінювання, дефекти, надійність, розшарування, безпека

Анотація

Визначені характерні дефекти шин, котрі виникають через специфічні режими експлуатації аварійно-рятувальних машин і пожежних автоцистерн, та розроблена методика по їх визначенню в умовах роботи державних пожежно-рятувальних частин. На-сьогодні, стан шин визначають в дослідницьких лабораторіях та за допомогою спеціального обладнання. Контроль за шинами, котрі знаходяться в експлуатації підрозділів Державної пожежно-рятувальної служби, не проводиться. Встановлено, що більшість шин пожежних автоцистерн знаходяться в експлуатації довше, ніж вказано заводом-виробником, оскільки мають ще незношений протектор. Отже, внутрішній стан таких шин ненадійний, з наявними дефектами, з втомою гумового матеріалу шини, котрі не можливо виявити без спеціального обладнання. Обставини, пов’язані з проведенням воєнних дій, призводять до руху пожежних автоцистерн по пошкодженій (в результаті ворожих обстрілів) поверхні дороги, на підвищеній швидкості руху та з ваговими перевантаженнями, що впливає на перевищення температурного стану шин. Висока температура прискорює розростання дефектів до критичних розмірів та призводить до руйнування шин. Отже, слідкувати за їхнім зовнішнім станом замало, оскільки в шинах накопичуються внутрішні втомливі руйнування та дефекти виробництва. В результаті проведених досліджень встановлено, що теплове випромінювання шини вказує на наявність внутрішніх руйнувань, а значить, дає змогу визначати її цілісність. Вирішено науково-практичне завдання по створенню методики визначення прихованих дефектів в шині. Розроблена методика визначення прихованих дефектів саме в шинах пожежних автоцистерн дозволить визначати їх експлуатаційну придатність. Результати досліджень, підвищать безпеку слідування пожежних автоцистерн до місця виклику та під час виконання дій за призначенням. Ці дані є дуже важливими, оскільки знижують вірогідність непередбаченого раптового виходу шин пожежних автоцистерн з експлуатації.

Посилання

1. Behnke R., Kaliske M., Termo-mechanically coupled investigation of steady state rolling tires by numerical simulation and experiment. International journal of non-linear mechanics. 2015. Vol. 68. P. 101–131. doi:10.1016/j.:ijnonlinmec.2014.06.014
2. Integrated dynamics and efficiency optimizati on for EVs Vehicle dynamics international. 2019. P. 38–39. doi:10.1002/asjc.1686
3. Pozhydayew S. Utochnennya ponyattya momentu syly u mekhanitsi  [Clarification of the conceht of forse moment in mechanics] Avtoshlyakhovyk Ukrainy. I. 2018 P. 21–25. doi: 10.30977/AT.2219-8342.2019.44.0.21
4. Larin O., Vinogradov S., Kokhanenko V., Pat. 82321 Ukraine, IPC (2013.01) B60C 23/00. Adjustment for temperature adjustment in pneumatic tires / applicant and patent holder of the National University of Civil Society of Ukraine. № u201302439, application № 02/26/2013; publ. 07.25.2013, Bul. № 14.
5. Dong-Hyun Y., Beom-Seon J., Ki-Ho Y. Nonlinear finite element analysis of failure modes and ultimate strength of flexible pipes. Marine Structures. 2017. Vol. 54. Р. 50–72. doi: 10.1016/j.marstruc.2017.03.007
6. Haseeb A., Jun T., Fazal M., Masjuki H. Degradation of physical properties of different elastomers upon exposure to palm biodiesel. Energy. 2011. Vol. 36. 3. Р. 1814–1819. doi:10.1016/j.energy.2010.12.023
7. Cho J., Yoon Y. Large deformation analysis of anisotropic rubber hose along cyclic path by homogenization and path interpolation methods. Journal of Mechanical Science and Technology. 2016. Vol. 30. 2. Р.789–795. doi: 10.1007/s.12206–016–0134–5
8. Larin O. Probabilistic of fatigue damage accumulation in rubberlike materials. Strength of Materials. 2010. Vol. 47. 6. Р. 849–858. doi: 10.1007/s11223–015–9722–3
9. Коханенко В. Б., Коломієць В. С. Вплив конструкції та стану шини на безпеку руху пожежних автоцистерн. Проблеми надзвичайних ситуацій. 2023. Вип. 37. С. 238–249. doi: 10.52363/2524-0226-2023-37-17

Аssessment of excess pressure during accidents at oil refineries

Kalchenko Yaroslav

National University of Civil Defenсe of Ukraine

https://orcid.org/0000-0002-3482-0782

Kostiantyn Afanasenko

National University of Civil Defenсe of Ukraine

https://orcid.org/0000-0003-1877-1551

Vavreniuk Sergei

National University of Civil Defenсe of Ukraine

https://orcid.org/0000-0002-6396-9906

Pisklova Daria

National University of Civil Defenсe of Ukraine

https://orcid.org/0009-0004-9521-7006

DOI: https://doi.org/10.52363/2524-0226-2024-39-12

Keywords: excess explosion pressure, oil spill, oil tanks, consequences of accidents

Аnnotation

Аssessed the excess explosion pressure during an accident on oil tanks. In the studies, three cases of accidents were considered: local depressurization of the oil tank, full depressurization of the oil tank without the formation of a breakthrough wave and full depressurization with the formation of a breakthrough wave of the oil. The study was conducted for tanks with a volume of 10.000 m³. The paper considers a mathematical model of the overpressure of the explosion of vapors evaporated from a oil spill in the event of these accidents. According to this mathematical model, graphs of the dependence of excess explosion pressure on the radius were built. From the analysis of these graphs, numerical values of the radii of buildings damage degreewere determined . In case of full depressurization of the oil tank with the formation of a breakthrough wave, the radii of buildings damage degreewill be significantly larger than in the case of full depressurization without the formation of a breakthrough wave, which is due to a significant increase in the area of evaporation of the oil. It is determined that the presence of a serviceable dike can significantly reduce the consequences of accidents that can occur when damaged oil tanks. The radii on which a person will suffer damage of various degrees of complexity from the explosion of oil product vapors during their spill as a result of an accident on oil tanks are determined. It was established that for the case of local and full depressurization of a tank with an oil product without the formation of a breakthrough wave, a person will not receive too severe affections from a shock wave. In this case, for the case of full depressurization of the oil tank with the formation of a breakthrough wave, this distance will be at least 535 meters. The obtained results allow to assess the consequences of accidents on oil tanks and can be used to determine the distances of personnel and their special protective clothing.

References

1. Kustov, M. V., Kalugin, V. D., Tutunik, V. V., Tarakhno, E. V. (2019). Physicochemical principles of the technology of modified pyrotechnic compositions to reduce the chemical pollution of the atmosphere. Voprosy khimii i khimicheskoi tekhnologii, 1, 92–99. doi:10.32434/0321-4095-2019-122-1-92-99
2. Loboichenko, V., Strelec, V. (2018). The natural waters and aqueous solutions express-identification as element of determination of possible emergency situation. Water and Energy International, 61, 9, 43–50. https://www.indianjournals.com/ijor.aspx?target=ijor:wei&volume=61r&issue=9&article
3. Popov, O., Iatsyshyn, A., Kovach, V., Artemchuk, V., Kameneva, I., Taraduda, D., Sobyna, V., Sokolov, D., Dement, M., Yatsyshyn, T. (2020). Risk assessment for the population of Kyiv, Ukraine as a result of atmospheric air pollution. Journal of Health and Pollution, 10, 25. doi: 10.5696/2156-9614-10.25.200303
4. Fabiano, B., Caviglione, C., Reverberi, A. P., Palazzi, E. (2016) Multicomponent Hydrocarbon Pool Fire: Analytical Modelling and Field Application. Chemical Engineering Transactions, 48, 187–192. doi: 10.3303/CET1648032
5. Raja, S., Tauseef, S. M., Abbasi, T. (2018). Risk of Fuel Spills and the Transient Models of Spill Area Forecasting. Journal of Failure Analysis and Prevention, 18, 445–455. doi:10.1007/s11668-018-0429-1
6. Vasilchenko, A., Otrosh, Yu., Adamenko, N., Doronin, E., Kovalov, A. (2018). Feature of fire resistance calculation of steel structures with intumescent coating. MATEC Web of Conferences, 230, 02036. doi:10.1051/matecconf/201823002036
7. Semerak, M., Pozdeev, S., Yakovchuk, R., Nekora, O., Sviatkevich, O. (2018). Mathematical modeling of thermal fire effect on tanks with oil products. MATEC Web of Conferences, 247(00040). https://doi.org/10.1 051/matecconf/201824700040
8. Espinosa S. N., Jaca R. C., Godoy L. A. (2019). Thermal effects of fire on a nearby fuel storage tank. Journal of Loss Prevention in the Process Industries 62(103990). https://doi.org/10.1016/j.jlp.2019.103990
9. Ahmadi, O., Mortazavi, S. B., Pasdarshahri, H., Mohabadi, H. A. (2019). Consequence analysis of large-scale pool fire in oil storage terminal based on computational fluid dynamic (CFD). Process Safety and Environmental Protection, 123, 379–389. https://doi.org/10.1016/j.psep.2019.01.006
10. Abramov, Y., Basmanov, O., Krivtsova, V., Salamov, J. (2019). Modeling of spilling and extinguishing of burning fuel on horizontal surface, Naukovyi Visnyk NHU 4, 86–90. doi:10.29202/nvngu/2019-4/16
11. Oliinik, V., Basmanov, O. (2023). Model of spreading and burning the liquid on the soil, Problems of emergency situations, 1(37), 18–30. doi: 10.52363/2524-0226-2023-37-2
12. Abramov, Y., Basmanov, O., Khmyrov, I., Oliinik, V. (2022). Justifying the experimental method for determining the parameters of liquid infiltration in bulk material, Eastern-European Journal of  Enterprise  Technologies, 4/10(118), 24–29. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.262249
13. Abramov, Y., Basmanov, O., Oliinik, V., Khmyrov, I., Khmyrova, A. (2022). Modeling the convective component of the heat flow from a spill fire at railway accidence. EUREKA: Physics and Engineering, 6, 128–138. https://doi.org/10.21303/2461-4262.2022.002702