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科研

A. Sładkowski的科研活动始于中学时期,1971年他参加了在基辅举行的青年科学家学术会议。

他的科研活动在学生年代得以延续。1976年和1977年,他参加了第聂伯罗彼得罗夫斯克国立大学的学生科学会议。所宣读的报告及其学位论文(1978)致力于弹性体接触相互作用问题。

这些研究致力于微滑移现象的研究。接触问题既从理论上、也从实验上加以考虑。为模拟圆柱体滚动过程中的微滑移,复变函数理论的方法 [1, 3] 和有限元法 [2] 得到了应用。利用应变片对结果进行了实验验证 [1, 3, 9, 12] 在专用实验装置上进行 [6, 14].

借助基于FEM开发的方法,解决了弹性矩形在压缩和剪切过程中微滑移区的确定问题 [5, 11, 25]。在进行实验研究时,观察到应变片对低模量材料的加强效应。

提出了基于FEM计算来修正应变片读数的方法。后来,这一方法成为研制专用应变梁的基础,这种梁能够产生大变形,同时仍处于弹性区 [7, 17, 42].

集体科研工作《摩擦副中微滑移效应的研究》被授予VSNTO(全苏科学技术协会理事会)一等奖 [10],于1983年,以及为获得物理数学科学副博士学位(PhD,1987年答辩)的学位论文 [18, 19] 包含了上述研究的综合。

这些年的另一个研究方向是用于制造飞行器的壳体结构。上面开发的实验技术(应变测量)和理论研究(FEM) [4] 或壳体理论 [13, 16] 得到了应用。应变测量的不足在于测量只在选定位置进行,因而无法获得物体整体变形的完整图像。全息干涉法能够消除这一缺点,并可进行高精度测量。但其缺点在于,所得干涉图仍需解密,即以物体表面的位移分布代替干涉图像。所开发的干涉图解密技术以及复合材料壳体的计算方法在论文中作了描述 [8, 15].

在解决上述解密任务时,出现了确定条纹编号的问题,以便随后将其换算为壳体相应表面区域的位移。一种能够确定干涉条纹编号的相当简单的实验技术 [20, 21] 被提了出来。

自1987年起,A. Sładkowski在第聂伯罗彼得罗夫斯克冶金学院(DMetI,现为乌克兰国立冶金学院——NMetAU)工作。科研课题稍作修改,使之具有与冶金产品相关联的性质,特别是铁路运输用品(车轮和钢轨)。相应的研究小组由V.P. Yesaulov教授领导。

利用旋转壳体理论开发了整体货车车轮轮盘的计算方法 [30],这项工作是与乌克兰NAS力学研究所著名基辅学派的科学家合作完成的,该学派由院士J.M. Grigorenko领导。还开发了等厚度平轮盘车轮的计算方法。该方法基于复变函数的应用。这些轮盘用于起重机车轮 [22, 31].

鉴于铁路车轮可视为承受非轴对称载荷的轴对称研究对象,为了在能力有限的计算机上简化计算,提出采用半解析FEM [24, 35, 36, 55].

在有限元网格生成能力有限的条件下,沿轮盘厚度方向的单元数量具有重要意义。通过比较采用FEM的数值解与解析方法,可以评估求解精度 [32, 33, 90].

A. Sładkowski的另一个研究领域是轮–轨副接触相互作用的研究。为此开发了准赫兹方法,借此能够在存在一个或两个接触区(“单点”或“两点”接触)的情况下估计接触区的位置以及这些区域中的应力值 [28, 46, 50, 52, 60, 72, 80].

显然,车轮和钢轨磨损的原因之一是车轮与钢轨工作表面廓形不一致。对车轮和钢轨结构以及整个轨道结构所作的大量改动,往往未能减少磨损。相反,铁路部门的许多改动导致20世纪80至90年代USSR铁路系统、随后CIS铁路系统的车轮和钢轨出现灾难性磨损。A.Sładkowski相应地研究了这些变化及其对磨损的影响 [23, 34, 48, 54, 61]。应当指出,对车轮磨损的研究既针对工业运输 [72],也针对干线运输 [71, 72];既针对客运或货运 [74, 84],也针对牵引机车车辆 [85, 94].

车轮和钢轨的工作能力取决于制造它们所用的金属、加工工艺以及其他可通过这些对象的金相分析加以研究的方面。这些研究是与DMetI的一组科学家合作进行的,该组先由NAS院士Yu.N. Taran领导,后由S.I. Gubenko教授领导。对车轮和钢轨磨损过程的联合研究,包括对车轮钢显微组织的广泛分析,促成了合理的车轮和钢轨设计 [29, 51, 56, 63, 64, 70, 81].

因此,在理论计算、轮–轨副应力应变状态分析、数值模拟、金相分析以及工业和干线铁路运输中车轮与钢轨磨损测量的基础上,创造出若干新的车轮和钢轨设计,其新颖性和有效性已由发明人证书和专利予以确认 [26, 27, 44, 47, 57, 78].

所提出的更耐磨的铁路车轮廓形需要新的工艺方案和新的工具,以便在机务段条件下对货车和机车车轮进行修复性修理。为不同的车轮车床开发了全套工具(靠模、样板和对照样板) [43, 62, 75, 77] 以及不同改型KZh-20机床的成形铣刀 [41, 50, 65, 68, 75, 77],使新车轮不仅得以投入试验运用,而且得以投入商业(工业)运用。

推广新成果的一项障碍是需要证明其在轨道与机车车辆动态相互作用中的安全性。已对上述动力学进行了研究,并模拟了带有新车轮廓形的单轮对的运动以及转向架的通过 [49, 58, 59]。A. Sładkowski参加了DIIT工作人员进行的现场动力学试验。还应当指出利用FEM对铁路车轮所作研究的综合性,这种研究能够考虑对车轮的动态作用 [66, 69, 70, 76, 82].

在矿业和加工企业、冶金厂以及若干干线铁路多家机务段的实际运营条件下取得的显著经济效益,证明了所提出结构方案的有效性。上述科学、技术和工艺解决方案成为撰写技术科学博士(doctor habilitatus)学位论文的基础 [73, 74].

所开展研究的综合性以及所开发的方法和技术,为将这一方法应用于其他技术对象提供了基础。特别是研究了绳轮和卷筒及其与钢丝绳的相互作用。这些研究被用于撰写若干涉及物料搬运设备的论文和专利 [37, 38, 39, 40, 45, 53].

A. Sładkowski的另一个科研对象是齿轮传动。利用FEM对接触现象的研究已成功应用于渐开线齿轮轮齿接触处应力应变状态的研究 [79, 83, 87, 101].

自2000年起,A. Sładkowski教授的科研活动与西里西亚工业大学相关联。这并不意味着研究方向的根本改变或科学联系的彻底改变。某些变化与波兰计算设备相对较大的能力或运用实验技术进行测量的可能性有关。乌克兰与波兰研究经验的交流对双方都有益,并有利于科学关系的发展、新研究方法的开发以及科研活动领域的扩展。例如,关于货车车轮闸瓦制动中热应力影响的研究,是Sładkowski教授应印度铁路的要求仍在乌克兰时开始的,并在波兰继续进行 [106, 109, 116, 118].

使用FEM求解接触问题存在一定局限性。问题在于,接触区事先未知的接触问题属于一类高度非线性问题。其求解需要采用迭代方法,而在网格非常密(空间网格)时这可能难以实现。已用经典解进行了测试,并针对相对稀疏的协调FE网格开发了求解接触问题的新方法 [125, 160].

车轮与钢轨接触相互作用的研究与先前在乌克兰进行的类似研究有所不同,因为这些研究针对的是其他车轮和钢轨廓形,包括通过对磨耗车轮和钢轨进行实验扫描而得到的真实廓形 [114, 123, 126, 133, 134, 137, 141, 145, 148, 149, 150, 166].

致力于用FEM计算轮–轨副接触应力的最重要工作是一篇文章 [152],该文于2005年发表在期刊Wear上。根据Scopus数据库的引文列表,该文被引用37次,而且引用次数逐年增加。

在文章 [158, 185] 中,Sładkowski教授继续使用FEM对微滑移现象进行建模。同样显然的是,上述接触现象对磨损有很大影响 [205, 295].

在车轮与钢轨接触相互作用的研究中,Sładkowski教授继续与第聂伯罗彼得罗夫斯克的冶金学家和金相学家学派合作。近接触区金属组织的比较分析能够检验FE计算的结论 [139, 146, 151, 164]。专著 [153] 是多年车轮与钢轨接触相互作用研究的某种总结。

铁路车轮还具有由接触相互作用所决定的其他应力场,它们产生于车轮与车轴的压装连接,或轮箍热套到轮心上(对于组合式车轮)。这些工艺至关重要,因为它们决定机车车辆的运行安全。这些工艺以及由此得到的应力场在文章中作了分析 [91, 92, 93, 97, 100, 112, 233].

关于FE网格生成对求解精度之影响的研究也得以继续,这不仅针对接触问题,也针对铁路车轮整体 [103, 112, 121].

利用FEM进行车轮计算的综合性能够考虑不同类型的载荷,这成为分析各种结构车轮应力状态的基础 [95, 102, 124, 130, 131, 161]。这使得能够估计轮对的极限状态 [244, 284, 289]。使用FEM计算车轮的结果在实验室应变测试中得到了实验验证 [104, 120, 162].

自2000年起,利用FEM对齿轮的研究得以继续。研究对象发生了变化。研究对象成为机车的齿轮传动 [122, 127, 129, 135, 142, 147, 165]。机车牵引传动整体也得到了考虑 [191, 192, 196, 230].

数值方法也被用于求解机车车辆的动力学问题。这是通过分析相对较小的模型(自由度数较少)以及更为复杂的车辆和轨道模型来完成的,其中考虑了各类轨道不平顺,这些不平顺使用现代应用软件包ADAMS/RAIL、UM、Medina、Vampire等加以建模 [96, 99, 105, 108, 111, 115, 128, 136, 156, 157, 163, 182, 278, 297].

与机车车辆相关的另一个研究方向源于与以V. Dahl命名的东乌克兰国立大学(VUNU)的合作。该大学的工作人员为铁路货车和机车提出了摩擦减振器的新结构。上述利用FEM计算接触相互作用的方法已成功应用于减振器元件摩擦相互作用的热弹性耦合问题分析 [168, 169, 174, 175]。与此同时,解决了厚板坯塑性变形的工艺问题,这是保证减振器零件生产所必需的 [159, 170].

分析减振器零件在其动态工作期间产生的热应力,需要使用功能强大的计算机。解决这一问题的途径之一是计算并行化。MSC.MARC提供了区域分解的可能,从而使计算过程更加高效 [236, 247, 249].

机车车辆并不是运用Sładkowski教授所开发或所使用方法的唯一铁路设备对象。特别是,这些技术被用于分析道岔零件的应力状态 [138, 143, 144, 154, 173]。这些技术也被用于设计供道岔调整用的测量装置。

还开展了研究,以分析焊接钢轨在与钢轨扣件相互作用时的应力应变状态。其中考虑了钢轨的热载荷以及与机车车辆车轮的接触相互作用 [180, 181, 301, 309, 313, 326, 335]。在分析固定于轨枕上的钢轨时,必须掌握弹性垫板的力学性能数据。为此进行了实验研究以及利用FEM的计算 [183, 194, 198].

信号灯桅杆同样是铁路运输的基础设施。同样进行了基于FEM的计算 [155, 167, 172].

显然,所开发的方法不仅被用于分析机车车辆或运输基础设施的应力应变状态。例如,对弹性联轴器的研究见论文 [176, 177],物料搬运设备的零件和部件见 [201, 204, 231, 232] 或工厂运输工具见 [203].

物料搬运设备同样需要进行动力系统的计算。在 [171, 210, 211] 中模拟了桥式起重机的动力学。这些研究是与上述FE计算结合进行的。在 [258] 中研究了在矿业和加工企业条件下使用的输送带接头。建模和分析的正确性最终影响运输工具的运行安全 [262].

A. Sładkowski在文章中对矿山机械的分析给予了很多关注 [331, 332, 333],矿井中的运输方法 [306, 314] 或露天采场 [329].

A. Sładkowski教授于2006年转到物流与工业运输系工作。他于2009年担任该系主任。这次调动促进了他对物流问题的兴趣。因此,每年有越来越多的论文致力于物流,这些论文由他与他人合著或独立完成。在其著作中,A. Sładkowski教授考虑了常常与其他科学分支相接的各种物流问题。

例如,对哈萨克铁路而言,最大的问题是卸载盛有黏稠石油的罐车。这一问题在冬季尤为突出。与KazNTU联合提出的解决方案发表于 [238, 251, 255],这将有助于解决该问题。

在文章 [197, 219, 220, 224, 229, 235, 259, 305, 307, 328, 334] 中分析了东—西方向线路上的铁路运输。这里分析了铁路运行能力相对较低的原因。指出了“瓶颈”以及解决这些问题的途径。铁路运输的控制问题 [276, 280, 300, 324, 325]、智能运输系统 [304, 310] 或在波兰境内借助铁路和公路运输煤炭工业产品 [237] 也得到了考虑。

在A. Sładkowski的著作中,对公路运输也给予了很多关注。非标准货物的运输问题 [189]、货运自动收费问题及其对运输公司物流的影响 [243, 257, 321]、机动车在深露天矿中的使用 [267, 298, 308]、汽车车载测量系统的使用 [274, 277]、车辆重量控制 [283]、路面质量 [296] 均作了分析。

在A. Sładkowski致力于物流的著作中,与工业和工厂运输相关的文章占有重要地位。例如,运输在船厂应用的各个方面 [179]、装载机在港口的使用 [275]、仓储优化问题 [234, 268, 286, 291, 293]、食品工业运输过程的合理化 [272]、冶金工业 [209]、采煤工业 [215] 或针对个别企业和公司 [202, 212, 225].

在其著作中,Sładkowski对区域运输和物流问题的分析给予了很多关注 [178, 214, 241, 285],以及对货物配送的规划方法 [207, 240, 261, 292].

当前,回收与利用问题具有重要意义。如果说这一主题对机动车已经相当成熟,那么对工业运输工具而言它仍然是一个相当新的方向 [208, 216, 239, 242, 253].

A. Sładkowski的另一个新研究领域是利用CO2. 对波兰能源部门而言,这具有重大意义。其物流方面在论文中得到了考虑 [217, 226].

应当指出,物流有许多方向,任何科学家显然都不可能在所有方面开展工作。尽管如此,在A. Sładkowski的著作中有许多文章讨论物流的一般问题、运输管理以及其他科学方面 [216, 218, 223, 228, 256, 260, 263, 269, 270, 282, 330].

A. Sładkowski教授担任许多科学会议和期刊的主编或编委会成员、科学委员会和程序委员会的主席或成员。他在方法论文章中分享自己的经验,例如 [288].

2010–2013年,他担任起重机械与机械输送设备研发中心“DETRANS”科学委员会主席。

在其科研生涯中,A. Sładkowski教授多次获得校长奖:第聂伯罗彼得罗夫斯克国立大学(1983);乌克兰国立冶金学院(1988);西里西亚工业大学(2006,I等;2012,III等;2014,II等;2016,III等;2018,III等;2021, III等; 2023, III等)。

A. Sładkowski的科研活动在国际上得到高度评价。2013年,A. Sładkowski当选俄罗斯运输科学院正式成员(院士)。他与RAT乌拉尔分院合作。

2015年,以V. Dahl命名的东乌克兰国立大学授予A. Sładkowski EUNU名誉博士称号。

2016年,他被接纳为保加利亚科学家联盟的成员。此外,2016年他作为机械工程师俱乐部(鲁塞科学技术专家的地区组织)成员被接纳加入保加利亚科学技术联合会。

2017年,他当选格鲁吉亚国家科学院(GNAS)机器力学研究所科学委员会荣誉成员。

2018年,鲁塞“Angel Kanchev”大学(保加利亚)授予A. Sładkowski该大学的名誉博士称号。

因此,A Sładkowski教授科研兴趣的范围及其科研活动经验相当广泛。为取得文章和专著中所描述的成果,他与各类专家、组织和企业进行了合作,并乐于在未来开展这种互利合作。


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