Preview

Вестник Донского государственного технического университета

Расширенный поиск
Том 18, № 2 (2018)
Скачать выпуск PDF

ЮБИЛЕЙ УЧЕНОГО

МЕХАНИКА

146-156 302
Аннотация

Введение. Статья посвящена исследованию работы гидродинамического кавитатора, используемого при эрозийном воздействии на поверхность твердого тела, а также оптимизации структуры устройства для увеличения разрушительной способности кавитационной струи. В работе рассмотрено влияние единичного дефекта внутренней поверхности комбинированного сопла на объемную долю содержания пара и геометрию области кавитации. Целью работы является выявление методом численного моделирования закономерностей влияния дефекта внутренней поверхности кавитатора различной величины на гидродинамические и кавитационные характеристики сопла.

Материалы и методы. Использованы возможности программного пакета конечно-элементного анализа ANSYS Workbench и интегрированного в него модуля оптимизации процесса разработки и технологической подготовки в области вычислительной динамики жидкостей и газов ANSYS CFX. В основу моделирования положены экспериментальные данные, полученные при истечении воды в кавитационном режиме из исследуемого сопла на специально разработанном лабораторном стенде.

Результаты исследования. Получены и представлены графические зависимости объемной доли содержания пара, полного давления и длины кавитационной области от расстояния вдоль оси струи при различной величине дефекта. Выявлены две фазы течения кавитационной струи в неидеальном кавитаторе, и показано влияние этого перехода на распределение скоростей в сечении устройства.

Обсуждение и заключения. Наличие внутреннего дефекта на поверхности расходящегося конусного участка комбинированного сопла размером менее четверти диаметра центрального цилиндрического участка может не вызывать визуальных изменений в геометрии области кавитации, однако значительно снижает эрозийную способность кавитационной струи. Дальнейшее увеличения дефекта приводит к полному подавлению кавитации потока, но сохраняет его динамические характеристики. Полученные результаты способствуют усовершенствованию конструкций гидродинамических кавитаторов, улучшению их эрозийного воздействия при использовании кавитации для очистки подводных конструкций и механизмов.

157-162 97
Аннотация

Введение. Статья посвящена изучению динамики нагрева при кипении бинарных смесей в большом объеме. Цель данной работы — экспериментально исследовать гистерезис по тепловому потоку при кипении бинарных смесей жидкости.

Материалы и методы. Эксперименты проводились на цилиндрическом нагревателе, который служил термометром сопротивления и датчиком выделяемой мощности. Нагрев производился квазистационарным методом. Объектом исследования были бинарные водные смеси жидкостей.

Результаты исследования. Результатом экспериментов стало получение кривых кипения при насыщенном и ненасыщенном кипении. На полученных кривых нагрева и охлаждения наблюдаются несколько характерных областей. Первая, где в жидкости теплообмен осуществлялся при помощи конвекции, и вторая — область пузырькового кипения, где обнаруживается гистерезис по тепловому потоку. Вскипание жидкости сопровождалось возникновением шума и «скачком» средней температуры поверхности нагрева. На кривой α(Тст) выявлен гистерезис теплоотдачи. Кривая нагрева проходит всегда ниже, чем кривая охлаждения. То есть при заданной температуре нагревателя коэффициент теплоотдачи всегда будет больше при охлаждении, чем при нагреве. Этот факт был обнаружен как при однократном, так и при многократных нагревах и охлаждениях. Кривая кипения — это две синхронно полученные в одном эксперименте зависимости q(Тст) и α(Тст). На кривой кипения обнаружен гистерезис коэффициента теплоотдачи при нагреве и охлаждении нагревателя.

Обсуждение и заключения. Наряду с гистерезисом по тепловому потоку кипящих смесей впервые обнаружен гистерезис коэффициента теплоотдачи. Причиной гистерезиса по тепловому потоку являются разные значения теплоотдачи на кривой нагрева и кривой охлаждения при любой заданной Тст. Динамика нагрева показывает, что кривая нагрева, как для тепловых потоков, так и для коэффициента теплоотдачи, проходит всегда при более низких значениях этих величин (q и α), чем кривая охлаждения.

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

163-170 226
Аннотация

Введение. Проблемам адаптивного бурения посвящено множество работ. Большой интерес представляет не только регулирование режимных параметров органов буровых станков в зависимости от физико-механических свойств породы в забое, но и использование адаптации режущего долота с полным или частичным изменением его структуры за счет введения упругих элементов. Целью настоящей работы является обоснование выбора упругого элемента для адаптивного режущего долота, а также определение его параметров.

Материалы и методы. Авторами проведены экспериментальные исследования на режущем адаптивном долоте диаметром 160 мм с различными параметрами резиновых образцов. В качестве объекта исследований были использованы резиновые образцы, имеющие следующие варьируемые показатели: твердость резины (по Шору) — от 40 до 75 ед.; высота образца — от 25 до 60 мм; рабочий диапазон усилий сжатия — от 5 кН до 30 кН; формы образцов — параллелепипед сплошной, параллелепипед с боковыми проточками, параллелепипед с внутренними отверстиями, параллелепипед слоистый с толщиной слоя от 6 до 15 мм. На основании результатов проведенных экспериментов выполнено сравнение и обоснование выбора наиболее приемлемого типа и параметров упругого элемента.

Результаты исследования. Представлены результаты экспериментальных исследований упругих элементов адаптивных буровых режущих долот. В результате сравнения наиболее распространенных форм амортизаторов установлено, что многослойный элемент наилучшим образом выполняет роль адаптирующей связи.

Обсуждение и заключения. В результате исследований установлено, что в адаптивных буровых инструментах в качестве упругого элемента при малых диаметрах долот целесообразно применение резиновых эластомеров. Сформулированы рекомендации по твердости резины, толщине слоев, общей высоте упругого элемента для заданных значений хода подвижной лопасти адаптивного долота.

171-178 95
Аннотация

Введение. Биомасса используется в качестве продовольствия, для приготовления кормов, получения энергии. Это дисперсный материал, характеризуемый высокой пористостью и низкой плотностью, что вызывает неудобства в его использовании. Поэтому для улучшения технологических свойств биомассу подвергают уплотнению с приданием определенной формы компактам (брикетам, гранулам и др.).

Материалы и методы. Рассматривается процесс уплотнения биомассы в компакты. Показано, что сопротивление дисперсных материалов уплотнению, к которым относится и биомасса, определяется структурномеханическими свойствами уплотняемого материала — структурной прочностью, внутренним трением, давлением связности, прочностью частиц материала и прочностью связей между частицами. Теоретическими исследованиями определены взаимосвязи между всеми характеристиками сухой биомассы, которые легли в основу методики расчета машин для формирования биомассы в компакты.

Результаты исследования. Разработана методика, позволяющая определять основные параметры пресса с кольцевыми матрицами исходя из предъявляемых к компактам требований и структурно-механических свойств уплотняемого материала. Методика рекомендуется для проектирования машин, обеспечивающих формирование биомассы в компакты с заданными свойствами Обсуждение и заключения. Полученные закономерности могут быть использованы при проектировании прессов для производства компактов с заданными свойствами.

Обсуждение и заключения. Полученные закономерности могут быть использованы при проектировании прессов для производства компактов с заданными свойствами.

179-189 182
Аннотация

Введение. Статья посвящена разработке технологического процесса окончательной абразивной обработки деталей из полимерных композиционных материалов с применением гибкого шлифовального инструмента. Целью исследования является снижение трудоемкости операции путем замены ручного труда на механизированный, а также повышение качества обработанной поверхности.

Материалы и методы. Использован метод подготовки поверхностей деталей из полимерных композиционных материалов (ПКМ) под склеивание путем механической абразивной обработки гибким шлифовальным инструментом.

Результаты исследования. Проанализированы характерные особенности формирования микропрофиля поверхностей стеклопластиковых деталей после обработки гибким абразивным инструментом ручным и механическим способами. Выявлена и обоснована необходимость механизации данной операции. Описаны параметры поверхности, влияющие на формирование качественного клеевого соединения. Рассматриваются особенности конструкции гибкого шлифовального инструмента и влияние их на формирование шероховатости поверхности. Сравниваются данные микропрофиля поверхностей, обработанных шлифовальной шкуркой и лепестковым кругом при различных режимах резания.

Обсуждение и заключения. Механическая обработка лепестковыми кругами может заменить операцию ручного зашкуривания деталей из полимерных композиционных материалов, существенно сократить операционное время обработки и улучшить показатели качества поверхностей деталей для склеивания.

190-200 116
Аннотация

Введение. Статья посвящена решению задачи формирования субоптимальной стратегии уклонения беспилотного летательного аппарата в условиях неопределенности текущих характеристик движения и будущей стратегии поведения противодействующего ЛА, управление которым формируется с максимальной эффективностью. При этом траектория маневрирующего ЛА должна удовлетворять требованиям оптимальности некоторых заданных функций фазовых переменных в конечный момент времени и условиям прохождения его траектории через заданную терминальную область пространства. Начальные условия и динамические возможности уклоняющегося и противодействующего ЛА в начальный момент времени считаются известными. Управление уклоняющимся ЛА формируется его бортовыми средствами навигации и наведения в реальном масштабе времени на основе нелинейного позиционного управления с обратной связью. Целью работы является построение алгоритма решения задачи синтеза терминально-оптимального управления движением центра масс высокоскоростного беспилотного летального аппарата, позволяющего осуществлять поиск оптимального управления в функции текущих координат объекта. Рассмотрение задачи в такой постановке отличает ее от классических конфликтных задач о преследовании, решаемых с привлечением теории дифференциальных игр и требует поиска эффективных в вычислительном отношении способов ее решения.

Материалы и методы. Наиболее эффективными для беспилотных ЛА, функционирующих в условиях интенсивных возмущений, жестких ограничений на фазовые переменные и управление, являются так называемые методы оптимального терминального управления, реализующие адаптивные алгоритмы с прогнозом. Поэтому решение сформулированной задачи может быть получено именно на основе использования их идеологии.

Результаты исследования. Разработан новый метод кусочно-программного терминального управления движением беспилотного ЛА, отличающийся от известных тем, что основан на процедуре поиска стратегии управления по критерию наилучшего гарантированного результата с учетом терминальных ограничений. Разработана методика расчета стратегии управления маневром уклонения ЛА в медленном контуре терминальной системы управления, отличающаяся тем, что вместо процедуры прогноза в ускоренном времени и расчета невязок используется процедура преобразования краевой задачи в одноточечную задачу интегрирования системы обыкновенных дифференциальных уравнений, учитывающая наличие ненулевого терминального члена в целевом функционале.

Обсуждение и заключения. Несмотря на то, что формирование субоптимальной стратегии наведения в терминальную область уклоняющегося ЛА осуществляется не в форме синтеза, программное управление адаптируется к текущим условиям. Это достигается за счет итерационной процедуры регулярного пересчета терминальных условий, что эквивалентно периодическому замыканию обратной связи. Таким образом, выведение уклоняющегося ЛА в заданную терминальную область осуществляется программно, а управление уклонением от противодействующего ЛА формируется в форме синтеза. Ограничениями на метод являются условия, что модель движения противодействующего ЛА известна и он формирует естественное управление с целью перехвата уклоняющегося ЛА.

201-213 95
Аннотация

Введение. Многие ученые в своих исследованиях, направленных на изучение динамики процесса точения, устойчивости системы резания и формируемых различных притягивающих множеств деформационных смещений, рассматривают станок, как автономную систему. В отличие от этих работ, в данной статье рассматриваются динамические свойства процесса резания, зависящие от параметров динамической связи, формируемой процессом резания, и от свойств подсистем, взаимодействующих с резанием, с учетом влияния внешних возмущений. Многие из этих свойств зависят от геометрии режущего инструмента, следовательно, динамические свойства процесса обработки изменяются при изменении геометрических характеристик инструмента. В частности, изменение геометрических параметров инструмента изменяют устойчивость траекторий формообразующих движений, и их вариации могут вызывать бифуркации притягивающих множеств деформационных смещений. Траектории формообразующих движений не только определяют геометрическую топологию обрабатываемой детали, но и интенсивность изнашивания инструмента, которые зависят от геометрических параметров инструмента.

Материалы и методы. В статье приводится математическая модель, характеризующая динамику системы, возмущенной биениями шпиндельной группы, и на ее основе с помощью программного пакета Matlab создана модель, позволяющая проводить цифровое экспериментальное исследование.

Результаты исследования. Приводятся результаты математического моделирования и примеры изменения свойств системы в зависимости от геометрических параметров режущего инструмента.

Обсуждение и заключение. Обсуждается вопрос о согласовании управления (например, от системы ЧПУ) с динамическими свойствами процесса резания. Одно из направлений такого согласования связано с выбором углов режущего инструмента такими, чтобы траектории формообразующих движений оставались устойчивыми при всех вариациях технологических режимов.

ИНФОРМАТИКА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И УПРАВЛЕНИЕ

214-222 282
Аннотация

Введение. Рассмотрена возможность автоматизации проверки работ участников олимпиад по программированию. Описана архитектура и работа серверной части системы проверки выполнения олимпиадных задач по программированию.

Материалы и методы. В качестве средств создания приложения были рассмотрены технологии MySQL, PHP, C++, JavaScript, HTML, CSS. Программа-тестировщик реализована на языке C++ для операционных систем семейства Windows NT.

Результаты исследования. Реализована возможность автоматизации проверки работ участников олимпиады в режиме реального времени. Для проверки олимпиадных работ по программированию разработана программатестировщик системы.

Обсуждение и заключения. В результате анализа функционирования глобальной сети Internet и технологии «клиент-сервер» были определены возможности для организации взаимодействия приложения с Internetресурсами. Разработанное приложение доказало целесообразность и эффективность организации взаимодействия приложения с Internet-ресурсами.

230-237 235
Аннотация

Введение. Рассматривается новый вид устройств для сбора и аккумулирования энергии — воздушный надувной коллектор. Как правило, надувные коллекторы устанавливаются стационарно, что не подразумевает ориентацию коллектора вслед за движением Солнца. Ввиду низкой себестоимости рассматриваемых изделий, необходимо предложить и исследовать максимально эффективную конструкцию.

Материалы и методы. Рассматривается коллектор, состоящий из последовательно соединенных замкнутых цилиндрических сегментов. Полости цилиндров заполнятся воздухом, что обеспечивает постоянство конструкции. Математическое моделирование определения температурного поля воздушного надувного коллектора выполнено с помощью метода конечных элементов.

Результаты исследования. Распределение температурного поля, в зависимости от направления потока солнечной радиации, были подтверждены экспериментально. Математические модели признаны адекватными. Прирост температуры теплопоглощающего слоя по отношению к температуре окружающей среды составил от 7° до 26,2° в зависимости от части сегмента коллектора.

Обсуждение и заключения. В ходе имитационных и экспериментальных исследований было установлено, что на эффективность коллектора, кроме инсоляции Солнца, оказывают воздействие комплекс факторов окружающей среды: влажность воздуха, сила ветра и др. При этом необходимо учитывать конструктивное исполнение устройства, а также эксплуатационные и теплофизические характеристики применяемых материалов. Детальное исследование степени воздействия внешних и внутренних факторов на температурное поле коллектора требует последующей разработки программного комплекса.

223-229 115
Аннотация

Введение. Представлен сравнительный анализ решений модифицированной модели Уитли при различных способах формирования элитных особей. В данном исследовании для формирования элитных особей используются алгоритмы Крона и Плотникова-Зверева. Целями работы являлись разработка модифицированной модели Уитли с применением алгоритмов Крона и Плотникова-Зверева для формирования элитных особей, а также программного средства для решения задачи теории расписаний. Необходимо было получить лучшее решение этой задачи при различных исходных данных с последующей обработкой результатов и выявлением модификации модели Уитли. Описана задача, которая подразумевает поиск оптимального распределения работ по процессорам с минимизацией максимального времени выполнения работ.

Материалы и методы. Приведено описание всех алгоритмов, которые были реализованы при разработке программного средства решения задачи оптимизации построения расписания. Разработаны следующие алгоритмы: модифицированная модель Уитли, применение стратегии элитизма, алгоритм Крона, алгоритм Плотникова-Зверева.

Результаты исследования. Разработано программное средство, с помощью которого проведён вычислительный эксперимент при различных исходных данных, с использованием одной, двух, трёх и четырёх элитных особей. Вычислительный эксперимент проведён для наиболее распространённых наборов данных при различном количестве элитных особей. Каждая модификация модели Уитли запускалась сто раз с каждым набором исходных данных. В результате сравнительного анализа было выявлено, какое влияние оказывает использование рассмотренных стратегий элитизма в разработанных модификациях генетического алгоритма (модели Уитли) на точность решения однородной минимаксной задачи при различном количестве элитных особей.

Обсуждение и заключения. Определены лучшие результаты работы алгоритмов, выявлена эффективность применения элитизма в модифицированной модели Уитли при решении однородной минимаксной задачи теории расписаний. Проведено сравнение результатов работы алгоритма при одной, двух, трёх и четырёх элитных особях.

238-245 122
Аннотация

Введение. Настоящая работа посвящена уменьшению времени коррекции оценки пространственной ориентации твердого тела в момент включения системы ориентации. Для определения пространственной ориентации твердого тела используются интегрированные показания от трех ортогонально расположенных датчиков угловой скорости. Возникающая при интегрировании разница между реальной пространственной ориентацией и ориентацией, оцененной с помощью датчиков, корректируется за счет информации, получаемой от других датчиков, таких как акселерометры и магнитометры. В большинстве существующих методов информация, полученная от акселерометров и магнитометров и преобразованная с помощью алгоритма, умножается на коэффициент коррекции и вычитается из оценки угловой скорости, тем самым корректируя оценку пространственной ориентации. Чем больше угол наклона твердого тела относительно горизонта в момент включения системы ориентации, тем больше ошибка оценки пространственной ориентации. Предлагаемый в данной работе алгоритм корректирует оценку пространственной ориентации в компонентах кватерниона без использования датчиков угловой скорости, что позволяет за меньшее, по сравнению с существующими алгоритмами, время свести к минимуму ошибку оценки ориентации.

Материалы и методы. Для отработки алгоритма коррекции был использован датчик MPU6050, выполненный по микроэлектромеханической технологии и имеющий в одном корпусе три ортогонально расположенных измерителя угловой скорости и три ортогонально расположенных акселерометра. Информацию, поступающую с MPU6050, обрабатывает микроконтроллер dsPIC33EP256MU806. Пространственная ориентация вычисляется чере параметры Родрига-Гамильтона в компонентах кватерниона, результат вычислений передается в программный пакет Matlab, выполняющий программу для визуализации зависимостей от времени четырёх компонент кватерниона в виде графиков.

Результаты исследования. В существующих алгоритмах, использующих параметры Родрига-Гамильтона, при начальной инициализации системы ориентации авторами предложено увеличивать значение коэффициента коррекции на время инициализации, либо с помощью тригонометрических формул находить углы Эйлера и переводить их в параметры Родрига-Гамильтона. В первом случае время начальной инициализации остается достаточно большим, во втором случае, из-за использования углов Эйлера, может возникать такое явление как «шарнирный замок». Предложенный в данной работе алгоритм осуществляет начальную инициализацию за время, сравнимое со временем инициализации в углах Эйлера, но при этом использует только параметры Родрига-Гамильтона.

Обсуждение и заключения. Использование предложенного алгоритма позволит минимум в 5 раз сократить время начальной инициализации кватерниона пространственной ориентации и, как следствие, общее время, необходимое для приведения системы в рабочее состояние, за счет того, что начальная инициализация необходима при каждом включении системы ориентации. В силу того, что инициализация происходит только по показаниям акселерометра, то для корректного определения пространственной ориентации по предложенному алгоритму необходимым условием является отсутствие любых ускорений на тело кроме ускорения свободного падения.

246-255 218
Аннотация

Введение. Среди актуальных задач криптографии можно выделить задачу обеспечения безопасного и честного проведения электронного голосования. В настоящей работе описан метод проведения электронных выборов с точки зрения обеспечения криптографической безопасности.

Материалы и методы. При решении поставленной исследовательской задачи использованы теоретические результаты из теории конечных полей, проективной геометрии и линейной алгебры. Разработанная криптосистема основана на применении геометрических объектов, рассматриваемых в проективной геометрии над конечными полями.

Результаты исследования. Разработанный алгоритм основан на схеме шифрования Эль-Гамаля и на новом геометрическом способе разделения секрета между избирательными комиссиями. Данный способ использует особенности построения аффинных пространств над конечными полями для создания подходящих геометрических конструкций и генерации секрета, поиск которого, с точки зрения злоумышленника, является сложной алгоритмической задачей. Использование порогового метода разделения секрета обосновывается необходимостью исключить возможность фальсификации результатов голосования со стороны членов избирательной комиссии. Авторами определено, с какой вероятностью злоумышленнику удастся сгенерировать верную секретную долю в случае, когда ему известна лишь ее некоторая часть.

Обсуждение и заключения. Предложенная криптографическая система может быть применена для проведения электронных выборов, а также в тех областях, где возникает необходимость в использовании методов пороговой криптографии.



Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1992-5980 (Print)
ISSN 1992-6006 (Online)