Shliun N. Models and methods of calculating heterogeneous composites taking into account macro and micro thermomechanical effects in them

Українська версія

Thesis for the degree of Doctor of Science (DSc)

State registration number

0525U000371

Thesis Registration Form

0525U000371.pdf

Applicant for

Specialization

  • 05.23.17 - Будівельна механіка

23-09-2025

Specialized Academic Board

Д 26.059.02

National Transport University

Essay

This dissertation is devoted to the development of models and computational methods for heterogeneous composites, accounting for macro- and micro-thermomechanical effects. Specifically, it investigates the patterns of thermally induced stress and strain states in layered road pavement and bridge deck structures, considering the incompatibility of thermomechanical material properties under temperature variations. Based on this analysis, the study proposes improvements for such structures as well as for coatings reinforced with metallic/non-metallic rods and heterogeneous inclusions by optimizing the thermomechanical parameters of their components, thereby minimizing or eliminating deformation incompatibility under thermal loads. Enhancing the accuracy of modelling and theoretical prediction of thermal deformation and stress fields in reinforced layered pavement and bridge structures is a key factor in improving their quality and durability under Ukraine’s seasonal and diurnal temperature fluctuations. To achieve this, the work develops novel thermomechanical and mathematical models of thermomechanical deformation in heterogeneous structures with reinforcing inclusions, formulated as systems of differential equations. Their solutions are derived using computational and analytical methods. The study demonstrates that the internal mechanism of thermal stress concentration at interfacial zones between material phases and reinforcements – triggered by thermomechanical incompatibility – can initiate thermally induced damage (including at microlevels, often imperceptible in early stages), accelerating material degradation and eventual structural failure. Using thermoelasticity theory, the research examines thermomechanical deformation effects in heterogeneous structures containing metallic, polymeric, asphalt-concrete, and cement-concrete materials. Mathematical modeling is performed to analyze thermal stress concentration in composite matrices at interfacial contact surfaces with spherical, rod-like, homogeneous, heterogeneous, and hollow reinforcements under uniform and non-uniform temperature fields. Damage mechanisms due to water freezing in material pores and capillaries are investigated. Additionally, a theoretical study is conducted on internal thermal stress generation in polymer materials reinforced with carbon nanotubes and fullerenes, arising from thermomechanical incompatibility. A new computational system is developed to analyze thermal stress fields in heterogeneous structures, accounting for function discontinuities and their interfacial concentration under high-temperature gradients. The dissertation presents multiparametric strength calculations and structural analyses of road systems under varying geometric and physico-mathematical parameters, enabling stress/strain concentration mitigation and enhanced system longevity. These findings contribute to solving critical challenges in the restoration and development of Ukraine’s road infrastructure network.

Read more

Research papers

Гуляєв В.І., Гайдайчук В.В., Мозговий В.В., Густєлєв О.О., Заєць Ю.О., Шевчук Л.В., Шлюнь Н.В. Термопружний стан багатошарових дорожніх покриттів. НТУ. Київ.2018. 252 с. ISBN 978-966-632-299-2

Гуляєв В.І., Мозговий В.В., Шлюнь Н.В., Заєць Ю.О., Білобрицька О.І., Шевчук Л.В., Внутрішньоструктурні термонапруження в композитних матеріалах з термомеханічно несумісними параметрами їх фракцій. Київ: Вид. Ліра-К, 2023. 302 с. ISBN 978-617-520-680-5

Gulyayev, V., Glazunov, S., Glushakova, O., Vashchilina, E., Shevchuk, L., Shlyun, N., Andrusenko, E. Modelling Emergency Situations in the Drilling of Deep Boreholes. Cambridge Scholars Publishing. 2019. ISBN(10): 1-5275-4020-0, ISBN(13): 978-1-5275-4020-0

Gulyayev, V.I., Shlyun, N.V. Singularly perturbed problems of drill string buckling in deep curvilinear borehole channels. Modern Trends in Structural and Solid Mechanics 1. ISTE Ltd and John Wiley & Sons, Inc.2021, pp. 177-200. ISBN(10): 1-5275-4020-0, ISBN(13): 978-1-5275-4020-0 ISBN: 978-1-78630-714 Scopus

Gulyaev V.I., Shlyun N.V. and Zaets Yu.O. Spiral Buckling of Torque and Axial Force-Prestressed Nanotubes. Strength of Materials. 2024. 56(1). pp. 62–69. DOI:10.1007/s11223-024-00627-7 Scopus Q4

Shlyun N.V., Analysis of thermo-mechanical incompatibility of fullerenes with polymeric matrices of composites. Strength of Materials and Theory of Structures. 2024. 112. рр.139-148. https://doi.org/10.32347/2410-2547.2024.112.139-148 WoS Q4

Gulyaev, V.I., Mozgovyi, V.V., Shlyun’, N.V. Thermomechanical aspects of frost resistance of cement and asphalt concrete materials. International Applied Mechanics, 2023, 59(5), p. 594–604. DOI:10.1007/s10778-024-01244-2 Scopus Q3.

Gulyaev, V.I., Shlyun, N.V. Intrastructural thermal stresses in composites with homogeneous and heterogeneous spherical inclusions. Strength of Materials. 2023. 55(2). pp. 254–264. DOI:10.1007/s11223-023-00520-9 Scopus Q4

Gulyayev V.I., Mozgovyi V.V., Shlyun N.V., Shevchuk L.V. Modelling negative thermomechanical effects in reinforced road structures with thermoelastic incompatibility of coating and reinforcement materials. System Research and Information Technologies. 2022. 2022(2), pp.117-127. DOI: 10.20535/SRIT.2308-8893.2022.2.09 Scopus Q4

Gulyayev, V.I., Mozgovyi, V.V., Shlyun, N.V., Shevchuk, L.V., Bilobrytska, O.I. Negative thermomechanical effects in granular composites with incompatible thermomechanical parameters of their components. International Review of Mechanical Engineering. 2022. 16(4),. pp. 188–197. https://doi.org/10.15866/ireme.v16i4.21996. Scopus Q2

Gaidaichuk V.V., Shlyun N.V., Shevchuk L.V.,Bilobrytska O.І. Theoretical modelling of the effect of thermal delamination of an asphalt concrete pavement from a rigid foundation of a road or bridge. Strength of Materials and Theory of Structures. 2022, 109, рр.38-49..https://doi.org/10.32347/2410-2547.2022.109.38-49 WoS Q4

Shlyun, N.V., Gulyayev, V.I. Buckling of a drill-string in two-sectional bore-holes. International Journal of Mechanical Sciences. 2020. 172. 105427. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2020.105427 Scopus Q1

Гайдайчук В.В., Густелев О.О., Шевчук Л.В., Шлюнь Н.В. Термопружне деформування шаруватого покриття на вгнутій ділянці дороги Науково-технічний збірник «Опір матеріалів і теорія споруд». 2019. №. 102. С. 180-190. DOI: 10.32347/2410-2547.2019.102.180-190 WoS Q4

Шлюнь Н.В. Плоскі та просторові періодичні згинні коливання подовжених карбонових нанотрубок. Вісник НТУ. Серія «Технічні науки». 2024. Вип. 1 (58). DOI: 10.33744/2308-6645-2024-1-58-203-211 С. 203–211.

Гуляєв В. І., Шлюнь Н. В. Математичне моделювання внутрішньоструктурних термонапружень, що викликаються полями змінної температури в композитах зі стрижневою арматурою. Дороги і мости. Київ. 2023. Вип. 28. С. 58–69. https://doi.org/10.36100/dorogimosti2023.28.068

Шлюнь, Н.В., Заєць Ю.О. Термомеханічні деформування карбонових нанотрубок в полімерних матрицях. Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. Науково-технічний збірник. 2024. Вип. 115(1). С.67-80. DOI:10.33744/0365-8171-2024-115.1-067-080

Шлюнь Н.В. Теоретичне моделювання зародження внутрішніх прихованих термічних дефектів у бітумному середовищі з гумовими включеннями. Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. 2023. Вип. 114. c.106-121. DOI:10.33744/0365-8171-2023-114.1-106-121

Гуляєв В.І., Шлюнь Н.В. Три механізми виникнення термонапружень і терморуйнувань у пружних тілах. Вісник НТУ Серія «Технічні науки». 2023. Вип. 3 (57). С. 43-49. DOI: 10.33744/2308-6645-2023-3-57-043-049

Шлюнь Н.В., Білобрицька О.І., Шевчук Л.В., Заєць Ю.О. Концентрація термонапружень в цементобетоні в околі капіляра, частково або повністю заповненого водою, при її замерзанні. НВЖ «Автошляховик України». №4. 2023. С.38-48. DOI: 10.33868/0365-8392-2023-4-276-39-49

Гуляєв В.І., Мозговий В.В., Шлюнь Н.В. Заєць Ю.О. Внустрішньоструктурні термонапруження в асфальтобетонних і цементобетонних матеріалах, підсилених фібергласовою, фіберкарбоновою, фібербазальтовою та фіберарамідною арматурою. НВЖ «Автошляховик України». 2023. №3. с.62-69. DOI: 10.33868/0365-8392-2023-3-275-62-69

Шлюнь, Н.В. Термомеханічна подібність при експериментальному та теоретичному моделюванні термоміцності дорожніх матеріалів та конструкцій. Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. 2023. Вип. 113. С.98-107. DOI: 10.33744/0365-8171-2023-113.1-098-107

Шлюнь Н.В., Білобрицька О.І., Шевчук Л.В., Заєць Ю.О. Умови відсутності та три механізми зародження термонапружень в пружних тілах. Вісник НТУ Серія «Технічні науки». 2023. Вип. (55). С. 323-344. DOI: 10.33744/2308-6645-2023-1-55-323-334

Гуляєв В.І., Мозговий В.В., Шлюнь Н.В. Чому в деяких регіонах у конструкціях мостів заборонена сталева арматура з епоксидним покриттям? НВЖ «Автошляховик України». №2. 2023. с.48-56. DOI: 10.33868/0365-8392-2023-2-274-48-56

Шлюнь Н.В. Пониження концентрації термонапружень у бітумному матеріалі з модифікованими гумовими крихтами. НВЖ «Автошляховик України». №2. 2022. С.60-66. DOI: 10.33868/0365-8392-2022-2-270-60-66

Шлюнь Н.В., Заєць Ю.О. Про внутрішній механізм термопошкоджень в армованих композитах з термомеханічною несумісністю їх фаз. Вісник НТУ Серія «Технічні науки». 2022. Вип. 3 (53). С.427-432. DOI: 10.33744/2308-6645-2022-3-53-427-432

Шлюнь Н. В. Особливості термонапруженого стану асфальтобетонного дорожнього покриття з гумовими включеннями. Дороги і мости. Київ. 2022. Вип. 26. С. 124–137. https://doi.org/10.36100/dorogimosti2022.26.124

Шлюнь Н.В., Білобрицька О.І. Сингулярно збурені задачі термомеханіки шаруватих дорожніх покривів. Вісник НТУ Серія «Технічні науки». 2020. №.1(46). С. 455-461. DOI: 10.33744/2308-6645-2020-1-46-455-461

Гуляєв В.І., Мозговий В.В., Густєлєв О.О., Шлюнь Н.В., Куцман О.М., Баран С.А. Дослідження напружено-деформованого стану дорожнього одягу з укріпленою основою під поперечними тріщинами і швами. Вісник НТУ Серія «Технічні науки». 2019. №. 3(43). С. 26-38. DOI: 10.33744/2308-6645-2019-1-43-026-038

Гуляєв В.І., Шлюнь Н.В. Проектування оптимальних траєкторій свердловин. Вісник НТУ Серія «Технічні науки». 2021. Вип. 1 (49). С. 109-116. DOI: 10.33744/2308-6645-2021-1-48-109-116

Read more

Files

autoreferat-referat Shlyun N-V-.pdf

Дисертація Шлюнь.pdf

Similar theses

0426U000013

Rasim R. Labibov

Characteristics of plastic deformation of one- and two-dimensional structural elements with yielding plateau

0525U000238

Ivan Y. Martynyuk

Semi-analytical finite element method in problems of deformation, continuous destruction and shape change of spatial bodies of non-canonical shape and complex structure

0425U000005

Maryna О. Yansons

Modified method of straight lines in problems of axisymmetric bodies under thermoforce loading

0424U000283

Olexander B. Kalashnikov

Buckling and natural vibrations of elastic inhomogeneous shells under thermomechanical loads

0524U000182

Andrii V. Podvornyi

Deformation, dynamics and stability of structurally anisotropic cylindrical shells in a spatial setting