Preview

Вестник Донского государственного технического университета

Расширенный поиск
Том 18, № 4 (2018)
Скачать выпуск PDF | PDF (English)

МЕХАНИКА

350-361 109
Аннотация

Введение. Настоящая работа посвящена исследованию пространственно-трехмерной модели транспорта и осаждения взвеси в прибрежной зоне с учетом изменения рельефа дна. Модель учитывает следующие процессы: адвективный перенос, обусловленный движением водной среды, микротурбулентную диффузию и гравитационное осаждение частиц взвеси, а также изменение геометрии дна, вызванное осаждением частиц взвеси или подъемом частиц донных отложений.

Целью работы являлось проведение аналитического исследования корректности начально-краевой задачи, соответствующей построенной модели.

Материалы и методы. Изменение рельефа дна приводит к необходимости решать начально-краевую задачу для уравнения параболического типа с младшими производными в области, геометрия которой зависит от искомой функции решения, что приводит, в общем случае, к нелинейной постановке задачи. Выполнена линеаризация модели на временной сетке за счет «замораживания» рельефа дна в пределах одного шага по времени и последующего пересчета функции поверхности дна на основе изменившейся функции концентрации взвешенного вещества, а также возможного изменения вектора скорости движения водной среды.

Результаты исследования. Для линеаризованной задачи построен квадратичный функционал и энергетическим методом доказана единственность решения соответствующей начально-краевой задачи в пределах произвольного шага по времени. На основе преобразования квадратичного функционала получена априорная оценка нормы решения в функциональном пространстве L2 в зависимости от интегральных оценок по времени правой части, граничных условий и начального условия, и, таким образом, доказана устойчивость решения исходной задачи при изменении начального и граничных условий, функции правой части.

Обсуждение и заключения. Модель может представлять ценность при прогнозе распространения загрязнений и изменения рельефа дна, как при антропогенном воздействии, так и в силу естественно протекающих природных процессов в прибрежной зоне.

362-378 62
Аннотация

Введение. Верифицирована методика численного моделирования поперечного обтекания пролетных строений мостов на основе нестационарного решения Рейнольдса для уравнений Навье — Стокса (URANS, Unsteady Reynoldsaveraged Navier — Stokes). Данный двумерный подход используется в современных методах и пакетах прикладных программ вычислительной гидроаэродинамики.

Цели работы — отладка и экспериментальное обоснование указанной методики. Для реализации поставленной цели использована ранее разработанная авторами база данных по аэродинамическим характеристикам поперечных сечений пролетных строений балочных мостов типовых форм.

Материалы и методы. Проведено численное моделирование поперечного обтекания мостовых строений низкотурбулентными (гладкими) и турбулентными воздушными потоками в диапазоне практически интересных углов атаки. В итоге использовалась модель турбулентности SST k − ω. Методика предварительно отработана на тестовой задаче обтекания балок прямоугольного поперечного сечения. Расчеты проводились с помощью лицензионного программного комплекса ANSYS.

Результаты исследования. Показано, каким образом угол атаки определяет силы (подъемную и лобового сопротивления) и момент поперечных сечений балочных мостов типовых форм. Полученные расчетные зависимости относятся к пролетным строениям на стадиях монтажа (без плиты перекрытия и ограждений, без ограждений) и эксплуатации в условиях модельных набегающих потоков — гладкого и турбулентного. Это позволяет очертить границы для более взвешенных оценок аэродинамических характеристик балочных мостов в реальном ветровом потоке. Лобовое сопротивление сечению демонстрирует наилучшее согласование с опытными данными. Величина подъемной силы более чувствительна к наличию и протяженности отрывных зон, поэтому ее расчетное определение менее точно. Наиболее проблемным для большинства конфигураций является воспроизведение влияния угла атаки на аэродинамический момент сечения.

Обсуждение и заключения. Сравнение расчетных и опытных данных свидетельствует о применимости URANS-подхода к оперативному предсказанию аэродинамических характеристик однобалочных пролетных строений. Если же речь идет о многобалочных пролетных строениях, существенную роль играет аэродинамическая интерференция между отдельными балками. В этом случае вместо URANS-подхода следует применять более точные вихреразрешающие методы. Полученные результаты могут быть использованы в исследованиях аэродинамики сооружений и в практике проектных организаций в сфере транспортного строительства.

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

379-384 80
Аннотация

Введение. Рассмотрены способы энергосбережения в пневматическом приводе. Интерес представляет способ торможения созданием противодавления в выхлопной полости пневмопривода. При этом энергия сжатого воздуха накапливается в рекуперативном объеме. Задавая начальные параметры рекуперативного объема, возможно управлять динамикой торможения. Цель работы — создание математической модели, описывающей динамические процессы, происходящие в пневматическом приводе при торможении противодавлением, с постоянной массой, заключенного в полостях пневмодвигателя воздуха, и с учетом изменения начальных параметров тормозного объема.

Материалы и методы. Предложена математическая модель, описывающая изменение скорости движения выходного звена, давлений и температур в полостях пневмопривода в зависимости от начальных параметров рекуперативного объема. Решение математической модели осуществлялось методом численного интегрирования.

Результаты исследования. Получены зависимости скорости выходного звена, давлений и температур в полостях пневмопривода от начальных параметров рекуперативного объема. Адекватность полученной математической модели подтверждена по критерию Фишера.

Обсуждения и заключения. Полученные результаты могут быть полезны для решения задач энергосбережения в пневмоприводах при организации торможения противодавлением. Применение рекуперативного объема повышает технологическую гибкость привода при его переналадке и расширяет возможности энергосбережения.

385-391 94
Аннотация

Введение. Для повышения эффективности приема и обработки дискретных сигналов в условиях дефицита априорных сведений применяют эвристический синтез. Представлен анализ алгоритма принятия решения при линейно-логической обработке дискретных сигналов в случае, если априорные данные об их параметрах неполны. Цель работы — построение и анализ эффективности линейно-логических алгоритмов.

Материалы и методы. Предложены эффективные в условиях априорной неопределенности математические алгоритмы приема и обработки сигналов. Они основаны на учете структуры выбросов и превышений процессов в каналах обработки.

Результаты исследования. Созданы линейно-логические алгоритмы обработки дискретных сигналов. Они основаны на учете одной, двух и более детальных характеристик выбросов или превышений случайных процессов.

Обсуждение и заключения. Полученные результаты могут быть полезны в процессе синтеза алгоритмов и устройств приема и обработки сигналов. Алгоритмы и устройства реализуемы как в аналоговом виде, так и в виде алгоритмов для ЭВМ. Созданы программы моделирования при обработке сигналов в условиях значительной априорной неопределенности информации о сигналах и о каналах их распространения.

392-400 70
Аннотация

Введение. В статье рассматриваются вопросы нормирования показателей надежности на ранних стадиях проектирования машин. Такой подход обеспечивает соблюдение заданного уровня надежности при разработке деталей, критичных с точки зрения стабильной эксплуатации. Цель работы — исследовать проблемы проектирования в указанной сфере. Анализ методов нормирования надежности позволяет утверждать, что их недостаточно для проектирования. Кроме того, отмечены противоречия, связанные с использованием в проектировании экспоненциального закона надежности.

Материалы и методы. На стадии технического задания определены численные значения наработки и безотказности машины. Затем значения вероятностей безотказной работы или отказов системы и ее элементов представлены степенными выражениями. В них степени являются параметрами ранжирования показателей безотказности элементов системы.

Результаты исследования. Синтезирован альтернативный подход к нормированию, который позволяет выполнить полный структурный анализ проекта. Таким образом, могут быть оценены показатели надежности всей системы или деталей, безотказность которых определяет надежность машин. Детали и другие элементы, отказы которых не внезапны, рассматриваются без применения экспоненциального закона. При этом сохраняется свойственная ему простота математических операций.

Обсуждение и заключения. Для проектирования с заданным уровнем надежности недостаточно числового значения вероятности безотказной работы (ВБР) машины в целом, принимаемого на стадии технического задания. Необходимы требуемые ВБР и наработки элементов системы, которые являются источниками отказов, развивающихся по разным законам. Полученные результаты могут быть использованы как при проектировании новых механических систем с заданным уровнем надежности, так и при модернизации машин.

401-407 75
Аннотация

Введение. Исследовано действие варьируемых параметров процесса электроакустического напыления (ЭЛАН) на характеристики кристаллической структуры упрочняющих покрытий. Выявлены значения указанных параметров, обеспечивающие получение наноструктурных защитных покрытий деталей машин и режущего инструмента. Упрочнение при помощи подобных покрытий позволяет достичь значительного (в 5–10 раз) повышения ресурса работы упрочняемых деталей и инструментов, предназначенных для механообработки. Для получения покрытий с заданными свойствами поверхностного слоя следует выбирать нанокристаллические материалы. При этом допустимо определенное содержание аморфной фазы.

Материалы и методы. Использован рентгеноструктурный анализ, который проводился на рентгеновском дифракционном аппарате отечественного производства «ДРОН-3М». Метод Шеррера — Вилсона применен с целью определения зернистости блоков частиц по значению физического уширения пиков дифрактограммы. Выводы по результатам работы основаны на методике разделения вкладов значащих факторов в уширение пиков дифракционных отражений (метод Уоррена — Авербаха).

Результаты исследования. В зависимости от технологических режимов и метода получения наноструктурных материалов происходит неоднозначно интерпретируемое изменение показателей уширения дифракционных пиков, что, в общем, характерно для нанокристаллических металлов. Это явление можно объяснить, в частности, наличием наноразмерного эффекта в упрочненном слое. Присутствие нанокристаллической структуры в напыленном слое напрямую подтверждается вычисленными значениями размеров областей когерентного рассеивания (ОКР). Наличие значимых величин угла разориентирования структуры кристаллов подтверждается величиной ОКР для исследованных рефлексов 110 и 220, что подкрепляется высоким процентным содержанием аморфной фазы.

Обсуждение и заключения. Метод электроакустического напыления перспективен для получения нанокристаллических структур в поверхностном и приповерхностном слоях напыленных образцов. Изменение технологических параметров ЭЛАН приводит к разбросу значений параметров кристаллической решетки и областей когерентного рассеивания. В этом случае не выявляется определенная тенденция. В дальнейшем предполагается решение данной проблемы. Во-первых, будут проведены эксперименты с целью определения оптимальных режимов напыления, способствующих образованию нанокристаллических структур. Во-вторых, планируется визуальное наблюдение и оценка структуры напыляемого слоя при помощи электронной микроскопии.

408-413 74
Аннотация

Введение. Обоснованы рациональные параметры и режимы наклонного шнекового смесителя периодического действия для достижения наименьшей энергоемкости приготовления кормосмеси при условии соблюдения зоотехнических требований к качеству приготовляемых кормов по неравномерности смешивания. Установление функциональных зависимостей между параметрами и режимами позволяет проектировать энергоэффективное оборудование для внутрихозяйственного комбикормового производства.

Материалы и методы. Экспериментальные исследования процесса приготовления кормосмеси проводили на наклонном одновальном шнековом смесителе кормов периодического действия. План эксперимента включал варьирование четырьмя независимыми факторами: частотой вращения вала смесителя, коэффициентом заполнения камеры смесителя, продолжительностью смешивания и углом наклона смесительной камеры. В качестве критериев оптимизации, характеризующих эффективность смешивания, были приняты неравномерность смешивания и удельная энергоемкость процесса.

Результаты исследования.Построены графические зависимости критериев оптимизации от уровня варьирования факторов, представляющие собой двумерные сечения поверхностей отклика второго порядка. Рациональные значения при неравномерности смешивания менее 5% составили: частота вращения вала — 27,5-36,5 мин-1 , коэффициент заполнения камеры смесителя — 0,43–0,51, продолжительность смешивания — 3,0–4,2 мин.; угол наклона смесительной камеры —22°–25°. При таких значениях параметров неоднородность смешивания будет минимальной и составит 4,10–4,18%, а энергоёмкость процесса составила от 2,08 до 2,16 кВт·ч/т.

Обсуждение и заключения. Зависимости, полученные в результате экспериментальных исследований, позволили установить области рациональных конструктивных параметров и режимов наклонного одновального шнекового смесителя периодического действия. Полученные результаты могут быть использованы в дальнейших исследованиях при разработке исходных требований на создание новых технических средств с гравитационным эффектом интенсивного смешивания.

414-420 71
Аннотация

Введение. Цель работы — повышение надёжности методов прогнозирования поведения гидроксида лития в пароводяном тракте на ТЭС и АЭС и оперативного контроля водородного показателя паровых растворов. Разработан метод оперативного контроля на основе кондуктометрических измерений водородного показателя паровых растворов ингибитора коррозии конструкционных материалов гидроксида лития, применяемого на ТЭС и АЭС.

Материалы и методы. Для практической реализации высокотемпературного оперативного контроля водородного показателя паровых растворов использован метод математического моделирования.

Результаты исследования. Разработан метод контроля водородного показателя паровых растворов гидроксида лития, основанный на определении концентрации в паре путём конденсации пара в охлаждаемом кондуктометрическом датчике, размещённом в паровом пространстве парогенератора, что позволило значительно повысить точность определения концентрации гидроксида лития. Предложены уравнения, описывающие изменение предельной молярной эквивалентной электропроводности и констант диссоциации гидроксида лития в широком диапазоне изменения параметров состояния.

Обсуждение и заключения. Предложенные метод оперативного контроля водородного показателя паровых растворов и математические модели для расчёта предельной эквивалентной молярной электропроводности и констант диссоциации обеспечивают приемлемую для практических расчётов погрешность и возможность автоматизации измерений. При увеличении температуры пара до 573,15 K возникает необходимость в увеличении концентрации гидроксида лития в паре до 10-2 моль/кг.

421-425 47
Аннотация

Введение. Известно, что качество изделий из спеченных твердых сплавов, при отсутствии нарушений технологии изготовления, определяется фазовым составом и средним размером зерен карбидной фазы. Однако твердые сплавы обладают недостатком, присущим в той или иной степени всем изделиям порошковой металлургии — неоднородностью структуры и соответствующей вариацией свойств. Традиционные методы контроля структуры и фазового состава, по результатам выборочных разрушающих испытаний, не позволяют оперативно в условиях производства получать информацию о качестве и не гарантируют идентичности свойств всех изделий исследуемой партии. Основным методом неразрушающего контроля качества твердых сплавов является измерение коэрцитивной силы. Однако отечественных коэрцитиметров в настоящее время не производится. В связи с этим целью настоящей работы является создание отечественного информационноизмерительного комплекса для неразрушающего контроля качества изделий из спеченных твердых сплавов и оценка достоверности полученных с его помощью результатов. Материалы и методы. В работе использованы цилиндрические и сфероконические стержни диаметром от 4 до 10 мм, изготовленные из сплавов марок ВК8 и ВК10ХОМ. Для определения коэрцитивной силы в информационно-измерительном комплексе использован метод сравнения с аттестованным изделием. Результаты исследования. Проведены измерения коэрцитивной силы двух партий изделий из твердых сплавов марки ВК10ХОМ и марки ВК8, выполненных с помощью разработанного информационноизмерительного комплекса и коэрцитиметра KOERZIMAT 1.097 HcJ. Обсуждение и заключения. Проведенные экспериментальные исследования показали, что значения коэрцитивной силы образцов, полученные на разном оборудовании, имеют примерно одинаковый уровень.

Подтверждена, как следствие технологии производства, характерная для спеченных твердых сплавов неоднородность структуры. Учитывая, что относительная погрешность измерений коэрцитивной силы для каждого образца должна находиться в пределах ± 6 %, можно считать полученные результаты удовлетворительными. Показано, что предложенный и реализованный в информационно-измерительном комплексе алгоритм измерения путем сравнения характеристик испытуемых и аттестованного образца с известной коэрцитивной силой, позволяет производителю изделий из твердых сплавов расширить выборку контролируемых изделий вплоть до 100% и существенно снизить затраты на неразрушающий контроль продукции. 

ИНФОРМАТИКА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И УПРАВЛЕНИЕ

426-437 73
Аннотация

Введение. Статья посвящена теоретическому описанию процесса переноса ионов в мембранных системах в гальваностатическом режиме. В качестве мембранной системы рассматривается канал обессоливания электродиализного аппарата. Цели работы: создание и верификация двумерной математической модели стационарного переноса ионов соли в канале обессоливания электродиализного аппарата для гальваностатического режима.

Материалы и методы. Предложена новая модель переноса ионов. Она основана на системе уравнений Нернста — Планка — Пуассона для электрического потенциала и на уравнении для функции электрического тока. Получено численное решение краевой задачи модели методом конечных элементов с помощью программного пакета Comsol Multiphysics.

Результаты исследования. Разработанная математическая модель позволяет описать стационарный перенос ионов бинарной соли в канале обессоливания электродиализного аппарата. При этом учитываются нарушение электронейтральности раствора и формирование расширенной области пространственного заряда при сверхпредельных токах в гальваностатическом режиме. Об адекватности построенной модели свидетельствует хорошее совпадение физико-химических характеристик переноса, рассчитанных по моделям для гальваностатического и потенциостатического режимов.

Обсуждение и заключения. Разработанная модель позволяет интерпретировать результаты экспериментальных исследований переноса ионов в мембранных системах, если данный процесс протекает в гальваностатическом режиме. Некоторые электрокинетические процессы связаны с появлением расширенной области пространственного заряда при сверхпредельных токах. Описывая формирование указанной области, можно выяснить, каким образом зависящие от нее процессы влияют на перенос ионов в гальваностатическом режиме.

438-448 71
Аннотация

Введение. Рассмотрен частный случай синтеза одной и той же электромеханической системы управления методом максимума Понтрягина и методом синергетического синтеза. В качестве задачи была определена задача синтеза оптимальной по быстродействию электромеханической системы позиционирования, при этом момент сопротивления движению линейно зависел от выходной координаты системы. Этот подход к выбору задачи синтеза был обусловлен тем, что синтез оптимальных по быстродействию систем является одной из самых широко распространенных задач, которая решается при повышении эффективности действующих систем управления.

Материалы и методы. Синтез оптимальной по быстродействию линейной системы управления на основе принципа максимума — широко распространенная задача в современной теории управления. Однако процедура синергетического синтеза такой формализации не имеет. Исходя из этого, в статье предложен подход, сближающий эти два метода, который, по мнению авторов, позволит повысить эффективность метода синергетического синтеза, добавив в него некоторые особенности методологии синтеза оптимальных систем.

Результаты исследования. В работе сформулированы два основных научных положения. Первое - применение принципа максимума для объекта класса двигатель постоянного тока при синтезе алгоритма позиционирования в условиях линейной нагрузки, функционально зависящей от угла поворота двигателя, позволяет оптимизировать систему по быстродействию. Второе - синтез системы управления на основе синергетического подхода позволяет получить систему, близкую к оптимальной (квазиоптимальную), но уже после модификации самого метода синергетического синтеза. Сформулирована гипотеза о возможной связи между вводимыми, при реализации процедуры расширения пространства состояния в методе синергетического синтеза, постоянными времени с определяемым в методе максимума оптимальным временем переключения управления.

Обсуждение и заключения. Выполнен синтез управления методом максимума и методом Аналитического Конструирования Агрегированных Регуляторов АКАР. На основании сравнения эффективности применения методов выдвигается гипотеза о возможной совместимости исследуемых методов.

449-454 85
Аннотация

Введение. Разработаны алгоритмы параллельного построения двоичного дерева. Алгоритмы выполнены на основе сортировки и описаны в конструктивной форме. Для множества из N элементов временная сложность имеет оценки T(R) = O(1) и T(R) = O(log2 N), где число процессоров R = (N2-N)/2. Дерево строится со свойством единственности. Алгоритмы инвариантны относительно вида входной последовательности. Целью работы являлась разработка и исследование способов ускорения процесса организации и преобразований древовидных структур данных на основе алгоритмов устойчивой максимально параллельной сортировки для их применения к базовым операциям информационного поиска в базах данных.

Материалы и методы. Взаимно однозначное соответствие множества входных элементов и построенного для него двоичного дерева устанавливается при помощи устойчивой адресной сортировки. Сортировка обладает максимальным параллелизмом, в операторной форме устанавливает взаимно однозначное соответствие входных и выходных индексов. На этой основе разрабатываются методы взаимного преобразования двоичных структур данных.

Результаты исследования. Получен эффективный параллельный алгоритм построения двоичного дерева на основе адресной сортировки с временной сложностью T(N2) = O(log2 N). От известных аналогов алгоритм отличается структурой и логарифмической оценкой временной сложности, позволяющей достигать ускорения аналогов порядка O(Nα), α≥1. В качестве усовершенствованного варианта предложена модификация алгоритма, обеспечивающая максимально параллельное построение двоичного дерева на основе устойчивой адресной сортировки и априорного вычисления хранимых индексов корней поддеревьев. Алгоритм отличается структурой и оценкой временной сложности T(1) = O(1). Аналогичная оценка достигается в последовательном варианте модифицированного алгоритма, что позволяет достигать ускорения известных аналогов порядка O(Nα), α>1.

Обсуждения и заключение. Полученные результаты направлены на организацию эффективных способов динамической обработки баз данных. Предложенные способы и алгоритмы могут составить алгоритмическую основу для ускоренного детерминированного поиска в реляционных базах данных и информационных системах.



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


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