Мачей С. Кумоса — ученый-материаловед и академик. Он профессор кафедры машиностроения и материаловедения Денверского университета и директор Центра новых высоковольтных/температурных материалов и конструкций (HVT). [1]
Научные интересы Кумосы включают анализ современных материалов в различных масштабах, как экспериментально, так и численно, для применения в электротехнике, аэрокосмической промышленности и других областях в экстремальных условиях эксплуатации. [2]
Кумоса является членом редакционной коллегии журналов «Композитная наука и технологии» , [3] «Конструкционная прочность и мониторинг состояния здоровья » [4] и «Волокна» . [5]
Мацей Кумоса родился 13 июля 1953 года в Варшаве , Польша, в семье с педагогическим, медицинским и фермерским опытом. Его отец, доктор Стефан Кумоса, [6] был уважаемым врачом в Слупце , небольшом городке в центре коммунистической Польши с населением около 5000 человек в тот период. В возрасте пяти лет Кумоса был переведён из Варшавы в Слупцу, где он получил начальное и среднее образование в начальной школе № 1 и средней школе имени маршала Юзефа Пилсудского [7] в 1968 и 1972 годах соответственно.
Кумоса получил степень магистра в области прикладной механики и материаловедения в Техническом университете Вроцлава в 1978 году. Он продолжил обучение в том же университете, получив докторскую степень в области прикладной механики и материаловедения в 1982 году. [8]
В 1981 году Кумоса начал свою карьеру в качестве старшего научного сотрудника в Институте материаловедения и прикладной механики в Техническом университете Вроцлава и был назначен доцентом в 1983 году. Затем он работал старшим научным сотрудником в Кембриджском университете с 1984 по 1990 год, после чего был назначен доцентом на кафедре материаловедения и инженерии и кафедре электротехники и прикладной физики в Орегонском аспирантском институте (OGI) в Портленде с 1990 по 1998 год. В 1996 году он присоединился к Денверскому университету в качестве профессора-исследователя на кафедре инженерии и позже был повышен до должности доцента и полного профессора. С 2006 года он работает профессором Джона Эванса в Денверском университете (DU). [1]
Кумоса был заведующим кафедрой машиностроения и материаловедения (MME) в DU с 2007 по 2009 год, а затем занимал должность директора Центра нанотехнологий и инженерии с 2007 по 2012 год. С 2014 года он занимает должность директора Центра совместного отраслевого и университетского научно-исследовательского центра по новым высоковольтным/температурным материалам и конструкциям Национального научного фонда (Центр HVT). [9]
Исследования Кумосы были сосредоточены на передовых материалах в экстремальных условиях для электрических и аэрокосмических приложений, с использованием экспериментальных и численных методов для оптимизации производительности. [2] Он является автором публикаций, охватывающих области композитов, материаловедения, прикладной физики , прикладной механики и общей науки, включая журналы IEEE , материалы конференций, инженерные журналы и национальные исследовательские отчеты. [8]
Исследования Кумосы финансировались федеральными и частными спонсорами, включая Национальный научный фонд, Управление научных исследований ВВС, Министерство энергетики (штаб-квартира), НАСА, Управление энергетики Бонневиля и Управление энергетики Западной области. Его основными частными спонсорами исследований были Lockheed Martin Corporation, Научно-исследовательский институт электроэнергетики, Tri-State Generation and Transmission, Alabama Power Company и Pacific Gas & Electric.
В рамках своего докторского исследования Кумоса исследовал как численно, так и экспериментально инициирование трещин механическими двойниками в кремнистом железе. [10] Он использовал анизотропный подход Эшелби для прогнозирования напряжений, необходимых для инициирования трещин завершенными механическими двойниками, и для определения направлений сдвиговых деформаций, связанных с механическим двойникованием. [11]
Кумоса начал экспериментировать с тонкостенными композитными структурами из армированного стекловолокном полимера (GRP), подвергая их внутреннему давлению, чтобы определить влияние многоосных нагрузок на возникновение повреждений в композитах. Его наставниками в то время были Лешек Голаски и Вацлав Каспржак. [12]
После окончания университета и первых академических назначений в Польше Кумоса отправился в академическую поездку за границу в 1984 году. Проработав год приглашенным научным сотрудником в Ливерпульском университете, в декабре 1984 года он переехал в Кембридж, Англия, где провел более шести лет на кафедре материаловедения и металлургии Кембриджского университета. Сотрудничая с Дереком Халлом и его исследовательской группой, он сосредоточился на исследованиях в области материаловедения и, в частности, на передовых исследованиях композитов. [13]
Во время работы в Кембридже Кумоса проводил исследования, включавшие применение методов конечных элементов (FEM) для прогнозирования отказов в современных композитных конструкциях в условиях многоосной нагрузки. [14] Его исследования распространились на изучение коррозионного растрескивания под напряжением (SCC) в композитах из армированного стекловолокном полимера (GRP), [15] наряду с анализом отказов и трещин смешанного типа как в композитах из GRP, так и в композитах, армированных углеродным волокном (CFRP). [16] Более того, он оценил потенциальное использование акустической эмиссии (AE) для мониторинга композитных конструкций и внес вклад в исследования ударопрочности композитов. [13]
Кумоса внес вклад в разработку теста на сдвиг Иосипеску, продемонстрировав его уникальность с помощью метода конечных элементов [17], включая рассмотрение осевых трещин и их влияния на прогнозирование разрушения композита. [16] Сотрудничая с У. Броутоном, он дополнительно переработал тест, включив условия с преобладанием двухосного сдвига, что было основополагающей модификацией в то время. [18] Кроме того, его исследования методом конечных элементов поддержали многоосное испытание композитных цилиндров с намотанной нитью, учитывая наличие кольцевых трещин в тонкостенных композитных трубках. [19]
Кумоса, вместе с Сигаласом и Халлом, предложил первую численную модель композитной трубы, подвергаемой осевому столкновению, что привело к появлению часто цитируемой статьи. [19] Кроме того, он продемонстрировал точный подсчет сломанных волокон при коррозионном растрескивании под напряжением стеклополимерных композитов с использованием мониторинга АЭ. [20]
В мае 1990 года Кумоса переехал в Орегонский аспирантский институт науки и технологий (OGI) в Портленде, штат Орегон. Его проекты по SCC и испытаниям композитов на сдвиг были переведены в OGI, что стало основой для двух исследовательских программ: изучение двухосных разрушений в высокотемпературных полиимидных композитах [21] и исследование эксплуатационных разрушений композитных изоляторов высоковольтных линий электропередачи. [22]
Ключевыми аспирантами Кумосы в OGI, которые помогли ему заложить основу его будущего центра высоких травм NSF, были Кевин Сирлз, Цюн Цю, Анураг Бансал и Цзюнь Дин [23] [24]
В OGI с 1990 по 1995 год Кумоса вместе с Корусевичем и Дином работали над анализом отказов и проектированием современных металлических сплавов, внося вклад в проект GE90. [25] Сосредоточившись на применении в реактивных двигателях, его исследовательская группа сосредоточилась на изучении суперсплавов на основе никеля и алюминидов титана, используемых в двигателе GE90, на предмет их устойчивости к высокотемпературному разрушению и усталости. [25]
С 1992 по 2006 год Кумоса руководил исследованиями высоковольтных (HV) композитных изоляторов, также известных как некерамические изоляторы (NCI). Он руководил инициативами, направленными на решение проблем, с которыми сталкиваются эти изоляторы, используемые на линиях электропередачи и подстанциях по всему миру. Эти изоляторы, подвергающиеся интенсивным механическим, электрическим и экологическим нагрузкам, представляли проблемы в течение срока эксплуатации. Одним из его значительных вкладов было предоставление объяснения различных крупных отказов изоляторов линий электропередачи высокого напряжения, связанных с хрупкими разрушениями. В частности, он рассмотрел 14 отключений линии под напряжением на линии 345 кВ Craig Bonanza Управления энергетики Западной области в Колорадо, а также выяснил причины пяти катастрофических отключений линии 500 кВ в Pacific Gas & Electric в Калифорнии в 1995/1996 годах. [26]
Работая первоначально со своими аспирантами Бансалом и Цю в OGI, а затем в DU с Лукасом Кумосой-младшим, Томом Эли, Полом Предецки, Дуайтом Смитом и Дэниелом Арментроутом, Кумоса внес вклад, определив конкретный тип кислоты, ответственный за хрупкие разрушения в Калифорнии, Колорадо и других регионах мира. [27] [28] Более того, он провел моделирование хрупких разрушений в композитных материалах на основе изоляционных материалов (GRP) в условиях высокого напряжения, проливая свет на критические механизмы разрушения. [29]
Работа Кумосы улучшила понимание механизмов отказа изоляторов и способствовала глобальному прогрессу в надежности систем передачи высокого напряжения. Заметным достижением стало создание первой системы ранжирования для широко используемых материалов стержней GRP, оценивающей их устойчивость к хрупкому разрушению под высоким напряжением и другим отказам в процессе эксплуатации. [26] Он и его исследовательские группы также предложили первую комплексную модель, объясняющую отказы изоляторов, возникающие из-за неправильного обжима, что дало представление о режимах отказа. [30]
С 1992 по 2004 год исследования Кумосы в области высокотемпературных полимерных матричных композитов были направлены на понимание фундаментальных механизмов разрушения высокотемпературных (HT) композитов. Используя углеродные волокна средней и высокой жесткости с различными полиимидными смолами HT, исследование изучало влияние старения на прочностные свойства композитов, уделяя особое внимание колебаниям температуры и условиям нагрузки с преобладанием двухосного сдвига. Он продвинул многопрофильные технологии для доступных компонентов двигателей, стремясь к оптимальной производительности и долговечности при повышенных температурах с уменьшенными потребностями в охлаждении. [31]
В ходе этого исследования Кумоса в сотрудничестве с Бенедиктом и Предецки разработали экспериментальные и численные методы оценки производственных напряжений в компонентах пропульсивного двигателя. Эти методы, основанные на внедренных алюминиевых включениях, рентгеновской дифракции и нелинейных моделях множественных включений Эшелби, сыграли решающую роль в прогнозировании остаточных производственных напряжений в высокотемпературных полимерных матричных композитах (HT PMC), используемых в композитной камере сгорания со значительно уменьшенным весом. [32] [33]
Кроме того, совместные усилия Кумосы с Одегардом, Рупновски и Генцем привели к прогнозированию свойств разрушения этих композитов в условиях высокой температуры, с преобладанием многоосного сдвига. [34] [35] [36] Впервые была проведена беспрецедентная оценка стойкости к старению композитов в азоте (физическое старение) и на воздухе (химическое старение) при температурах до 400 °C. [37] Кульминацией этого исследования стала оптимизация композитов для высокотемпературных (ВТ) камер сгорания, достигнутая за счет тщательного выбора и интеграции волокон и матриц, специально разработанных для демонстрации превосходных характеристик в условиях высоких температур. [38]
Кумоса и его команда аспирантов направили свои исследования на высокотемпературные высоковольтные полимерные композитные проводники (PCCC) для использования в высоковольтных линиях электропередачи (HV). В период с 2008 по 2010 год он и Беркс первыми определили критический радиус изгиба самого популярного HTLS PCCC. [39] Кроме того, с 2009 по 2012 год они продемонстрировали чувствительность стержней PCCC к поперечной нагрузке при ветровых вибрациях. [40] Их выводы также предполагали, что напряжения подшипника, вызванные обжимом проводника в тупиковом соединении, можно учитывать для эффективного расчета усталостной долговечности. Этот эффект был впервые оценен для стержней PCCC на различных стадиях старения под воздействием окружающей среды с использованием уникального комбинированного экспериментально-численного подхода. [41]
Кумоса и Миддлтон провели прогнозы срока службы для PCCC-проводников, указав, что воздействие высоких температур оказалось более разрушительным для PCCC-стержней, чем воздействие высококонцентрированного озона. Принимая во внимание потенциальные условия окружающей среды, такие как высокая температура и загрязнение озоном, было предсказано, что PCCC-стержни могут выдерживать эксплуатацию в течение многих лет, если рабочая температура не превышает 120°C при концентрации озона не более 1%. [42] Впоследствии он и Хоффман продемонстрировали, что срок службы проводников может быть значительно увеличен (на 75%) за счет нанесения на стержни специальных тефлоновых покрытий. [43]
Учитывая распространенную проблему, с которой сталкиваются коммунальные службы, использующие традиционные стальные/алюминиевые конструкции, особенно в прибрежных условиях, Кумоса, Хоканссон, Хоффман и другие провели исследование для оценки устойчивости текущей конструкции PCCC к коррозии на линиях электропередачи. Они предложили эффективную аналитическую модель атмосферной гальванической коррозии проводников PCCC, которая впоследствии была численно и экспериментально проверена. [44] Он и его исследовательские группы представили идеи относительно эксплуатационных характеристик следующего поколения высоковольтных высокотемпературных малопровисающих полимерных композитных проводников, схожих с их предыдущей работой над высоковольтными композитными изоляторами. Их усилия привели к многочисленным потенциальным улучшениям в конструкции, как отмечено в различных публикациях, включая статью в Denver Business Journal , где он также обсуждал, как новый продукт для линий электропередачи может спасти жизни. [45]
Кумоса возглавлял исследовательскую инициативу, финансируемую Национальным научным фондом (NSF), и руководил Центром HVT.
Предыдущие проекты Кумосы, включая исследования проводников PCCC, были интегрированы в Центр HVT, и были инициированы новые проекты. В рамках проекта проводников PCCC его исследования, выполненные в сотрудничестве с Уотерсом и Хоффманом, были сосредоточены на устойчивости проводников к низкоскоростным чрезмерным поперечным ударам с использованием уникальных приспособлений и моделирования ударного поведения с помощью анализа методом конечных элементов (FEM). Проводники продемонстрировали превосходство над своими аналогами из алюминия/стали в этом отношении. [46]
Группа также продемонстрировала успешный мониторинг PCCC-проводников для различных статических и динамических нагрузок с использованием датчиков Fiber Bragg Grating (FBG). Эти датчики оказались эффективными при мониторинге проводников во время установки и эксплуатации как для малых, так и для больших деформаций. [47]
Среди новых проектов в Центре HVT Кумоса изучал «Влияние старения под воздействием кислорода на порошки Ti/Al/V, используемые в аддитивном производстве» с Билли Греллом, Заком Лофтусом и другими. [48] Вместе с Лу, Йи, Солис-Рамосом и другими исследователями он также исследовал «Синергетическое старение полимеров и их композитов». [49] Экстремальное старение силиконовых резин, используемых в приложениях с высоким напряжением, было еще одним исследованием, проведенным им и Блешински в Центре, в результате чего была разработана, изготовлена и испытана силиконовая резина HV с улучшенной устойчивостью к экстремальному старению примерно на 50%. [50]
Проект Хендерсона, Предецкого и Кумосы «Предотвращение баллистических повреждений высоковольтных трансформаторных вводов» протестировал использование баллистических полимерных покрытий на высоковольтных фарфоровых трансформаторных вводах для защиты их от повреждений мощной винтовкой, впервые продемонстрировав, что втулки могут быть защищены от вандализма с помощью правильно спроектированных и нанесенных покрытий. [51] Его совместный проект с Уотерсом, Хоффманом и Предеком под названием «Полимеризация в композитах с одинарными волокнами с использованием датчиков FBG» представил новую технологию с использованием датчиков FBG в Центре HVT. [52] Эта технология оценивала реакцию смоделированных полимерных и металлических композитов на условия производства, используя датчики FBG для определения начала и конца отверждения, точки гелеобразования, деформаций охлаждения и напряжений для полимеров, таких как эпоксидные смолы, и позже была успешно применена для контроля затвердевания металлов. [53]
Совсем недавно, в 2023 году, исследовательские группы Кумосы изучали как «Модернизацию резервуаров больших силовых трансформаторов (LPT)» [54] , так и «Разработку нанокомпозитов следующего поколения на основе графена и оксида графена и эпоксидной смолы». [ требуется ссылка ] В проекте LPT он, Джид Уильямс, Хоффман и Предецкий впервые продемонстрировали, что тяжелые резервуары LPT можно заменить усовершенствованными PMC для снижения веса, повышения устойчивости к повреждениям от винтовок и улучшения характеристик в других неблагоприятных условиях эксплуатации. [55] В проекте оксида графена Мэтт Рейл и другие обнаружили новый мощный механизм упрочнения в эпоксидной смоле со встроенными наночастицами оксида графена, который впоследствии был объяснен с помощью обширного численного и экспериментального моделирования и проверок. [56]