автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Информационно-измерительная система для определения реологических характеристик связующих при горячем прессовании композитов

На правах рукописи

ДМИТРИЕВ Андрей Олегович

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СВЯЗУЮЩИХ ПРИ ГОРЯЧЕМ ПРЕССОВАНИИ КОМПОЗИТОВ

05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тамбов 2005

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированные системы и приборы» Тамбовского государственного технического университета.

Научный руководитель Официальные оппоненты:

Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Мищенко Сергей Владимирович

доктор технических наук, профессор Чернышов Владимир Николаевич кандидат технических наук, доцент Суслин Михаил Алексеевич

Ведущая организация

ОАО ТНИИР «ЭФИР» г. Тамбов

Защита диссертации состоится 9 декабря 2005 г. в 15 ч на заседании диссертационного совета Д 212.260.05 Тамбовского государственного технического университета по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, Большой зал.

Отзывы в двух экземплярах, скрепленные гербовой печатью, просим посылать по адресу: 392620, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, ученому секретарю диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тамбовского государственного технического университета.

Автореферат разослан 8 ноября 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

З.М. Селиванова

1(9№

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Полимерные композиты на основе термореактивных связующих в настоящее время являются одними из наиболее перспективных конструкционных материалов. Сочетание уникальных свойств полимерных композиционных материалов (ПКМ): малая объемная масса, высокие прочностные характеристики, низкая теплопроводность - обеспечили их широкое применение в авиационной, космической, автомобильной, судостроительной, химической и других отраслях современного производства. Необходимым условием высокого качества изделий из ПКМ является оптимальный технологический процесс их получения, спроектировать который возможно только на основе методов математического моделирования и современных информационных технологий. Это обстоятельство предъявляет повышенные требования к полноте и точности определения параметров математических моделей процесса отверждения ПКМ.

До недавнего времени при расчете температурно-временного режима отверждения ПКМ в математической модели учитывали только процессы теплоперено-са и химической кинетики. При горячем прессовании ПКМ под технологическим давлением имеет место также течение связующего, которое существенно влияет на температурно-временной режим отверждения. Поэтому актуальным является разработка метода и измерительного устройства для определения реологических характеристик связующего в среде наполнителя в процессе отверждения ПКМ.

Реологические характеристики связующего, к которым относятся энергия активации вязкого течения, структурная составляющая вязкости и собственно динамическая вязкость существенно зависят от температуры и степени отверждения. Для исследования сложных зависимостей характеристик процесса отверждения полимерных композиционных материалов необходимо использовать специальные методы, основанные на переработке большого объема экспериментальной информации, сбор которой без автоматизации эксперимента, дальнейшей численной обработки и систематизации данных невозможен. Поэтому для экспериментального исследования реологических характеристик связующих возникает необходимость построения информационно-измерительной системы (ИИС), как комплекса аппаратных средств, математического, алгоритмического, программного, информационного и организационного обеспечения.

Предмет исследований. Метод и информационно-измерительная система для определения реологических характеристик связующего при горячем прессовании композитов; математическое, алгоритмическое, программное, информационное и аппаратное обеспечение ИИС; структура и алгоритмы обработки экспериментальных данных; методика и условия проведения экспериментальных исследований; метрологический анализ ИИС; реологические характеристики связующего при отверждении ПКМ.

Цель работы. Разработка информационно-измерительной системы для определения реологических характеристик связующего при горячем прессовании композитов, позволяющей в автоматическом режиме проводить все операции,

связанные с экспериментальным исследованный » расчетом характеристик ПКМ.

И>С НАЦИОНАЛЬНАЯ 1

БИБЛИОТВКА I «

Для достижения поставленной цели необходимо:

- разработать метод определения реологических характеристик связующих при горячем отверждении композитов в условиях, близких к производственным;

- разработать аппаратные средства ИИ С на базе персонального компьютера для определения реологических характеристик связующего при отверждении ПКМ;

- разработать алгоритмическое и программное обеспечение ИИС исследования процесса течения связующих при отверждении композитов;

- разработать комплекс программ для численного моделирования температурных и конверсионных полей при отверждении изделий из композитов при горячем прессовании с учетом течения связующего;

- проверить работоспособность ИИС путем экспериментального исследования реологических характеристик связующих при отверждении различных типов композитов.

Методы исследования. В диссертационной работе использованы методы решения уравнений математической физики, методы теплофизических и реологических измерений, численные методы, теоретические основы информатики, электроники, вычислительной техники и измерительных систем.

Научная новизна. Предложены основные этапы разработки ИИС исследования процесса отверждения композитов, позволяющие выработать рациональный подход к построению системы.

На основе построенной математической модели процесса отверждения композитов при экспериментальном исследовании, учитывающей течение связующего под давлением, разработан метод определения реологических характеристик связующего при отверждении ПКМ, составляющий ядро математического обеспечения ИИС.

Предложена структура обеспечивающих подсистем ИИС исследования процесса отверждения композитов, учитывающая особенности исследуемого объекта.

Разработано алгоритмическое обеспечение ИИС, предназначенное для численного моделирования и исследования процесса течения связующего на основе предложенной математической модели и метода определения реологических характеристик при отверждении ПКМ.

С помощью имитационного моделирования исследованы и определены условия проведения экспериментов в ИИС. Разработана методика экспериментального исследования в ИИС с уточнением условий проведения эксперимента с помощью имитационного моделирования, позволяющая определять реологические характеристики с минимально возможной погрешностью, составляющей 6£(1= 7 % и 5^= 9 %.

Практическая значимость. Разработана и создана ИИС для определения реологических характеристик связующих при отверждении композитов.

Разработан пользовательский интерфейс и прикладное программное обеспечение ИИС.

* а**

Разработана структура и наполнена информацией база данных характеристик ПКМ различных типов.

Разработан комплекс программ для численного моделирования температурных и конверсионных полей при отверждении изделий из композитов при горячем прессовании с учетом течения связующего.

Разработана методика обработки экспериментальных данных в ИИС.

С применением ИИС экспериментально исследованы реологические характеристики связующих при отверждении композитов различных типов.

Реализация работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных работ автора нашли применение в:

- ФГУП «ВИАМ», г. Москва при расчете и отработке режимов отверждения изделий из ПКМ;

- ОАО «АРТИ-завод», г. Тамбов при математическом моделировании и расчете процесса вулканизации резинотехнических изделий;

- учебном процессе на кафедре «Автоматизированные системы и приборы» ТГТУ.

На отдельные программные продукты получены свидетельства о регистрации (список приведен в перечне публикаций).

Апробация. Основные положения диссертации докладывались на IV Международной теплофизической школе (Тамбов, 2001), VIII Научной конференции ТГТУ (Тамбов, 2003), Школе-семинаре молодых ученых по метрологии и сертификации (Тамбов, 2003), IV Международной конференции молодых ученых и студентов. (Самара, 2003), Международной конференции «Теория и практика технологий производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов» (Москва, 2003), 1Х-Й научной конференции (Тамбов, 2004), XXIV ежегодной международной конференции и выставке по композиционным материалам (Ялта, 2004), V Международной теплофизической школе (Тамбов, 2004), X научной конференции (Тамбов, 2005), Международной конференции «Теория и практика технологий производства изделий из композиционных материалов» (Москва, 2005).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы, приложения. Основная часть диссертации изложена на 159 страницах машинописного текста. Работа содержит 37 рисунков, 12 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, раскрыта научная новизна и практическая значимость работы, показаны результаты реализации и апробации, изложено краткое содержание глав.

В первой главе рассмотрены особенности применения, структуры и производства композитов. Показано, что температурно-временной режим оказывает существенное влияние на качество изделий из композитов. Поэтому к достоверности математического моделирования процесса отверждения и учету всех его особенностей на современном этапе предъявляются повышенные требования.

Проведен обзор информационно-измерительных систем, методов и установок для исследования реологических характеристик композитов при отверждении. Обзор показал, что их определение предусматривает регистрацию большого объема экспериментальной информации и разработку специальных алгоритмов, что не возможно без построения информационно-измерительной системы, как комплекса аппаратных средств, программного, математического и метрологического обеспечения.

Анализ современного состояния позволил выявить основные принципы и недостатки построения ИИС. Показано, что современные ИИС строятся на базе персонального компьютера, позволяющие производить измерения целого комплекса свойств исследуемого материала, а специализированных ИИС, предназначенных для исследования реологических характеристик композитов при отверждении, в настоящее время не разработано.

На основе проведенного анализа литературных источников сформулированы цели и задачи исследования.

Вторая глава посвящена построению математического и алгоритмического обеспечения ИИС: рассмотрены основные этапы разработки ИИС, предложена математическая модель экспериментального исследования реологических характеристик связующего при отверждении, полученная на основе математической модели процесса горячего прессования изделий из композитов, разработан метод и алгоритмы расчета по экспериментальным данным реологических характеристик связующего, а также численного моделирования процесса отверждения при горячем прессовании изделий из композитов.

Основными этапами разработки ИИС являются: формулировка технического задания, обосновывающая параметры разрабатываемой ИИС; разработка метода определения реологических характеристик связующего при экспериментальном исследовании; решение задач синтеза основных обеспечивающих подсистем ИИС (математического, алгоритмического, программного, информационного и аппаратного обеспечения); разработка аппаратных и программных средств ИИС; отладка взаимного функционирования аппаратных и программных средств ИИС и исследование ее метрологических характеристик.

Основу математического обеспечения ИИС составляет метод экспериментального определения реологических характеристик связующего в процессе отверждения ПКМ, таких как энергия активации вязкого течения ((3) и структурная составляющая вязкости ц(Р).

Метод заключается в использовании изменения толщины образца Ц/), экспериментально измеренной в режиме монотонного повышения температуры Т{() и

течении связующего под приложенным к образцу усилием Я" в процессе отверждения. При этом необходимо иметь данные об изменении (уменьшении) толщины двух образцов /,,(')» изготовленных из одного и того же исследуемого материала, полученные при отверждении по двум различным температурно-временным режимам 7,(0, Т2(1). Причем определение реологических характеристик связующего в среде наполнителя необходимо проводить в одном эксперименте отверждения с определением теплофизических и кинетических характеристик композитов, используемых для расчета реологических характеристик.

Исследование реологических, теплофизических и кинетических характеристик композитов рационально проводить в условиях одномерного, одностороннего нагрева образца плоской формы. Односторонний нагрев образца с тепловой изоляцией противоположной стороны позволит вдвое уменьшить расход исследуемых материалов, а тепловая изоляция боковой поверхности - создать температурное распределение в образце конечных размеров, близкое к температурному полю неограниченной пластины.

Схема нагрева образца при исследовании реологических, теплофизических и кинетических характеристик композитов представлена на рис. 1.

Рис. 1 Физическая модель экспериментального исследования реологических, теплофизических и кинетических характеристик

Математическую модель экспериментального исследования, соответствующую модели неограниченной пластины с изменяющейся толщиной Ь представим в виде системы следующих дифференциальных уравнений: - теплопроводности

дГ д . л ф

ст ох

ЦГЛ

Т= Т{х,1), 0 <х<Щ, 0 </ < Гк, =Ах), (><;*< ДО),

-ЦТ,

ах

х=0

0<1

(1)

(2) (3)

ЦТ, р,у)5 ах

х-ЦП

= <?л0), 0<1<1К.

кинетики отверждения

Л

ф(р)ехр

£(Р)

Р<1,

(4)

(6)

ЛГсрС)

О, р = 1,

Р = 3(0, 0 <1 <1к, Р(0) = Ро>0. (7)

течения связующего, изменения толщины образца и содержания связующего

Д(0 л

= -16-

цо3

Вц(Р(0) ехр

УР) лт-срС)

о < * < г„

Д0-Ц0)(1-Ун)

до

(8)

(9)

где В - коэффициент формы зазоров между слоями волокон наполнителя; С - объемная теплоемкость, Дж/(м3-К); Е - энергия активации отверждения, Дж/моль; £и - энергия активации вязкого течения, Дж/моль; ^ - усилие прессования, Н; / - начальное распределение температуры, К; - полный тепловой эффект, Дж/м3; /. - толщина образца, м; Я - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль*К); Г -температура, К; г - время, с; х- пространственная координата, м; 5 - площадь образца, м2; Р - степень отверждения; у - содержание связующего в препреге; <р - кинетическая функция, 1 /с; Х- теплопроводность, Вт/(м-К); ц - динамическая вязкость связующего, Па-с; индексы: н - начальный; к - конечный; ср - среднеинтегральный.

Для определения кинетических характеристик, т.е. энергии активации £(Р), кинетической функции отверждения <р(Р) и полного теплового эффекта Qп используется мощность тепловыделений

ш

(10)

содержащая информацию о кинетике процесса и связанная с кинетическим уравнением следующим образом:

Р(0~,о<р<1,

(И)

I

где - тепловой эффект реакции отверждения; Q„- - полный

тепловой эффект реакции отверждения; /„ - время окончания процесса отверждения.

Предложенная математическая модель экспериментального исследования положена в основу метода определения реологических характеристик. Неизвестные характеристики /ГДР) и jl(ß) определяются по изменению вследствие течения

связующего толщины двух образцов L,(t) под приложенным к ним усилием F, измеренным при монотонном нагреве по двум различным температурно-временным режимам Tt(l), T2(t).

Вследствие того, что структурная составляющая вязкости связующего p(ß) является функцией степени отверждении ß, экспериментальные данные T}(t), T2(t), /.,(/), L2(0, приводятся к одному аргументу ß.

Энергия активации вязкого течения в этом случае будет выглядеть так:

Г

ЕиФ ) = R

1

¿2('(ß))V F2S? ¿i'(/(ß))|

Li,wß)>j F}si mm

cp2'

T^im-T^m)

структурная составляющая вязкости связующего определяется по формуле

(12)

ß(ß) = -i-exp

о

т;Р2 (/(ß»in

mm s\

\6bm>3 f2

-т^тщ

1 бцт)2 Fx

т^ат-т^ш)

,(13)

где V = сИ / Л — скорость изменения толщины образца.

Если имеется предположение о слабой зависимости энергии активации вязкого течения от степени отверждения р, лежащей в пределах погрешности определения Ец или погрешность на краях р достаточно велика, то выражение для £М(Р) примет вид

In

Е —

f

U('(ß))J

FxSl WW)

T^ww^m)

cp2<

T^tm-T^m)

-dß. (14)

В случае если энергия активации вязкого течения уже известна, структурную составляющую вязкости связующего jx(ß) можно вычислить на основе одного температурно-временного режима Гср(г) по формуле

¿('(ß))^ BL'(t®))S2

(

exp

ЛГср(/(р»

(15)

Формулы (14) - (15) содержат неизвестный коэффициент формы зазоров между слоями волокон наполнителя В, который может быть определен дополни-

тельными исследованиями с помощью специального оборудования юти определяться совместно с p(ß), как комплексная структурная составляющая вязкости связующего pa(ß) = ßp(ß).

Для повышения точности расчета двух характеристик и p(ß) из формул (12), (13) на основе метода наименьших квадратов получены соответствующие расчетные формулы, использующие результаты нескольких экспериментов (трех и более).

В случае, если энергию активации вязкого течения можно считать константой, то ее следует определять с помощью минимизации невязки функции p(ß) для нескольких экспериментов, рассчитанной по формуле (1S). Исходными данными здесь являются временные зависимости L(t) и 7^(0, измеренные при отверждении одного и того же исследуемого материала по двум или более различным температурно-временным режимам T,{t). Задача определения и ji(ß) сводится к задаче нахождения такого значения при котором достигает минимума функция

Полученное значение ттФ(£ц) соизмеримо с дисперсией определения jl(ß) и может служить оценкой погрешности определения структурной составляющей вязкости связующего p(ß) и энергии активации Для повышения точности определения £ц и p(ß) рассматриваемая область изменения ß должна быть ограничена областью минимальной относительной погрешности определения L'(t), которая на начальном и конечном этапах отверждения при малых значениях L'(t) может достигать значительных величин. Поэтому, как показал опыт обработки экспериментов и расчетов, область изменения ß, как правило, имеет следующие значения: ßH= 0...0.1 и ß«=0,5...0,7.

Метод определения реологических характеристик по изменению толщины образца L{t) при отверждении ПКМ позволяет учитывать влияние характера наполнителя, давления, соотношения ингредиентов и других факторов на кинетику течения и отверждения.

На основе полученных расчетных формул с применением сглаживающих сплайнов и квадратурных формул разработаны алгоритмы и программы для обработки экспериментальных данных. Алгоритмы расчета реологических характеристик £„ и jl(ß) построены по принципу, который заключается в пересчете временных зависимостей толшины L,{t) нескольких экспериментов (« = 1,2,...) на единую сетку аргумента - степени отверждения ßiy, т.е. ¿X'Xßi('i))) (' = 1, 2,...). Для расчета реологических характеристик используются две или более временных

Af-I N

(16)

зависимостей толщины /,,(?). Вследствие того, что расчетные формулы предусматривают использование экспериментальных функций, выраженных относительно степени отверждения, возникает необходимость приведения их к единой сетке аргумента - степени отверждения Ру. Для этого одна из экспериментальных временных зависимостей толщины имеющая наибольшее значение полного теплового эффекта ()„, например ¿,(/), принимается за базовую, для которой рассчитываются соотношения между временем и тепловым эффектом /(0 или отнесенные к полному тепловому эффекту Qn = 0(1к) соотношения между временем и степенью отверждения г(р). Взяв в качестве аргумента (3,(/) = , другие экспери-

ментальные функции ¿,{г) (/ = 2, 3,... - номер эксперимента) интерполируются сплайном на той же сетке. Одновременно с пересчетом ¿(/) пересчитываются среднеинтегральные температуры 7^,(7) (;'=2, 3,...). В результате получим временные зависимости толщины и среднеинтегральной температуры 7^(0 на единой сетке аргумента р1( т.е. 7.,</,<ри Т'фХ'/СРХЛ))) ('=1, 2, 3,...), используемые для вычисления энергии активации вязкого течения £ц и структурной составляющей вязкости ц(Р).

С целью проверки работоспособности метода, алгоритма и программного обеспечения, а также выполнения имитационных исследований по определению оптимальных условий проведения экспериментов с помощью ИИС разработаны алгоритмы численного решения уравнений математической модели процесса отверждения изделий из композитов при горячем прессовании и экспериментальном исследовании. Для построения алгоритма решения системы уравнений тепломас-сопереноса и кинетики использован итерационный поочередный метод.

Нелинейное уравнение теплопроводности решается итерационным методом с применением на каждой итерации метода прогонки. Необходимые для решения уравнения теплофизические свойства С и X задаются экспериментально измеренными зависимостями от температуры, представляющими собой дискретные значения ТФХ на произвольной неравномерной температурной сетке.

Дифференциальные уравнения кинетики отверждения и течения связующего решаются численно методом Рунге-Кутта четвертого порядка точности. В результате решения уравнения кинетики получаем степень отверждения (5 и мощность тепловыделений ¡V, используемые в уравнении теплопроводности. Результатом решения задачи течения связующего является изменение ширины А каждого /-го зазора по времени (по индексу к). Суммирование всех зазоров А по толщине Ь образца или изделия позволяет получить условную суммарную толщину связующего

По вычисленной суммарной толщине связующего получаем также общую текущую толщину изделия, используемую для решения уравнения теплопроводности

а

и-1

(17)

£* = £пртт(18)

В завершении второй главы проведены исследования точности численного решения краевой задачи теплопроводности и дифференциальных уравнений кинетики и течения связующего с помощью разработанных алгоритмов и программ.

В третьей главе разработана архитектура ИИ С, состоящая из взаимосвязанного аппаратно-технического, математического, алгоритмического, программного, информационного и организационного обеспечения.

Аппаратно-техническое обеспечение ИИС процесса отверждения ПКМ построено на базе персонального компьютера, позволяющего автоматически проводить все операции, связанные с проведением экспериментов и расчетом свойств ПКМ. Оно включает в себя измерительный блок, блок предварительного усиления, блок питания и персональный компьютер (ПЭВМ) со встроенными адаптерами аналогового ввода/вывода (рис. 2). Измерительный блок, блоки усиления и питания являются специальной разработкой ИИС.

< < г ( ( {

у. У 2 У, Ую ИД ИТ 1 с я АЦП

Компьютерная

«п

Рис. 2 Структурная схема аппаратно-технического обеспечения ИИС процесса отверждения ПКМ: 1 - нижний охранный нагреватель; 2 - подложка нижнего нагревателя; 3 - точки заделки термопар; 4 - боковой охранный нагреватель; 5 - исследуемый образец; б - основной нагреватель; 7 - подложка верхнего нагревателя; 8 - верхний охранный нагреватель; У - усилитель постоянного тока; ИТ - измеритель толщины;

ИД - измеритель давления; ЦАП - цифроаналоговый преобразователь; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; Вых.Рег. - регистр выходной; МП - мультиплексор; УМ - усилитель мощности; СНУ - стабилизатор напряжения управляемый; ПК - персональный компьютер; СК - сетевая карта

Измерительный блок ИИС построен по принципу калориметра и реометра сжатия, имеющий возможность создания и измерения усилия, приложенного на образец при его нагреве и отверждении, а также измерения его толщины во времени, что позволяет в одном эксперименте совместно с теплофизическими характеристиками определять реологические характеристики связующего при продольном течении между слоями наполнителя. Для реализации однонаправленного переноса тепла в исследуемом образце, а также поддержания адиабатических условий и специального температурного режима нагрева в измерительном устройстве предусмотрены основной и три охранных адиабатических нагревателя. Для их управления в ИИС реализованы четыре цифровых автоматических ПИД-регу-лятора. С помощью аппаратного и программного обеспечения ИИС в измерительном устройстве организуется нагрев исследуемого образца и измеряются во времени следующие величины: время, напряжение нагревателя, температура в 2...5 точках по толщине образца, толщина образца и усилие на образец.

Использование математических моделей, методов и алгоритмов позволило создать программное обеспечение и разработать удобный программный интерфейс пользователя. Программное обеспечение ИИС процесса отверждения ПКМ состоит из двух основных частей: системного программного обеспечения (ПО) и прикладного ПО. Системное программное обеспечение включает в себя операционную систему MS Windows и систему программирования Borland Delphi Прикладное программное обеспечение представляет собой комплекс программных модулей, выполняющих операции над экспериментальными данными.

По типу решаемых задач прикладное программное обеспечение включает в себя следующие модули:

1) программная оболочка - производит распределение данных от различных модулей в модуль ведения базы данных и обратно;

2) модуль управления экспериментом - служит для ввода исходной информации об эксперименте, управления проведением эксперимента, сбора экспериментальной информации и вывода ее в базу данных;

3) модули расчета - решают задачи определения теплофизических, кинетических и реологических характеристик на основе информации, полученной модулем управления экспериментом;

4) модуль тестирования - позволяет проводить имитационное моделирование с целью определения методических погрешностей модулей расчета и определения условий проведения экспериментов, позволяющих находить реологические характеристики с минимальной погрешностью (рис. 4);

5) вспомогательные модули - включают в себя модуль ведения базы данных, модули коррекции экспериментальных данных, модуль просмотра и вывода информации.

Информационное обеспечение ИИС процесса отверждения ПКМ реализовано в виде специализированной базы данных и предназначено для передачи экспериментальной и расчетной информации между модулями системы. Для удобства поиска экспериментальная информация о ПКМ в базе данных объединена в обоб-

щенные группы и подгруппы по признаку близости их рецептуры, структуры и свойств. База данных позволяет сопоставлять свойства при изменении содержания ингредиентов ПКМ и прослеживать динамику их изменения.

Организационное обеспечение ИИС процесса отверждения ПКМ включает в себя руководство пользователя ИИС процесса отверждения ПКМ и техническое описание структуры и функционирования ИИС.

С целью определения оптимальных условий проведения экспериментов с помощью ИИС и конструкции измерительного устройства проведены имитационные исследования путем их численного перебора в некоторых пределах и вычисления ожидаемой погрешности определяемых параметров. Имитационные исследования проводились с использованием модуля тестирования. В результате его работы создайались данные имитационного эксперимента с искусственно наложенным возмущением, которые затем обрабатывались модулями расчета.

Методом имитационного моделирования исследованы погрешности определения энергии активации вязкого течения £и и структурной составляющей вязкости при отверждении ПКМ, которые в оптимальной области условий проведения эксперимента составляют: 5£ц = 7 % и б,^ = 9 %.

В четвертой главе экспериментально с помощью созданной ИИС исследованы реологические характеристики связующего, т.е. проведена апробация системы, а также выполнена метрологическая проработка и оценка характеристик ИИС.

Объектом экспериментального исследования являлись специально приготовленные образцы в виде пакетов толщиной 5...30 мм, набранных из нескольких слоев лрепрега (наполнителя, пропитанного неотвержденным связующим) исследуемого материала, вырезанных в форме квадрата со стороной 100 мм. Толщина

Рис. 5 Блок-схема экспериментального исследования характеристик ПКМ при отверждении с помощью ИИС:

I - получение задания на исследование ПКМ;

2 - приготовление образцов, 3 - экспериментальное определение дополнительных параметров; 4 - проведение экспериментов по нагреву и отверждению; 5 - расчет ТФХ; 6— расчет тепловыделений; 7- расчет кинетики; # - расчет реологии; 9 - численное моделирование процесса отверждения с использованием полученных параметров, 10- имитационное моделирование и уточнение условий проведения экспериментов; 11- проверка адекватности;

12 - вывод результатов; 13- окончание исследования одного слоя препрега обычно лежит в диапазоне 0,1...2 мм. Укладка слоев препре-га в образце производится сонаправленно, продольно-поперечно или диагонально-поперечно, аналогично укладке в промышленном изделии.

Разработана методика проведения исследования (рис. 5) и структура основной обработки экспериментальных данных в ИИС. Экспериментальное исследование и получение исходных данных для определения реологических характеристик при отверждении ПКМ заключается в последовательном нагреве и отверждении не менее двух образцов исследуемого материала в измерительном устройстве ИИС с измерением и регистрацией изменения во времени температуры в нескольких точках по толщине образца граничных тепловых потоков qp толщины L, и усилия Fr В результате обработки экспериментальных данных получены параметры математической модели процесса отверждения, т.е. энергия активации вязкого течения, структурная составляющая вязкости, а также ТФХ, мощность тепловыделений и кинетические параметры отверждения, необходимые для расчета реологических харак- рис, (, Реологические характеристики связующего теристик связующего. при отверждении стеклопластика

моль

Для уточнения условий проведения экспериментов используется программа имитационного моделирования, исходными данными которой являются рассчитанные характеристики ПКМ. При этом один из выполненных экспериментов принимается за «базовый» и подбираются условия второго эксперимента такими, чтобы обеспечить минимальную погрешность искомых характеристик.

Для исследования используется монотонный нагрев с постоянным тепловым потоком. Экспериментально исследовано несколько типов ПКМ.

В качестве примера на рис 6. приведены экспериментально измеренные реологические характеристики связующего при отверждении стеклопластика, т.е. энергия активации вязкого течения и струюурная составляющая вязкости p(ß).

Адекватность полученных параметров математической модели тепломассо-переноса при отверждении ПКМ реальному процессу отверждения проверяется по разности температур между поверхностью и серединой образца АТ и сравнению временных кривых толщины образца L*, изменяющейся за счет вытекания связующего под давлением. Для этого были проведены эксперименты по отверждению образцов в ступенчатом режиме и соответствующие расчеты. Отличие рассчитанных и экспериментальных разностей температур А7 = А7"расч - АГэксп не превышает 1 ...2 К. Отличие толщины образца в расчете и эксперименте не превышает 3 %. Полученные оценки адекватности являются вполне приемлемыми для технических расчетов.

Проведена оценка предельно допустимых основных погрешностей средства измерения и метода в комплексе. Показано, что определить все составляющие погрешности каналов измерения и блоков преобразования сигнала ИИС очень трудоемко, поэтому использована интегральная оценка погрешности и результаты предварительных оценок, сделанных в главе 3. Проведена также проверка воспроизводимости определения реологических характеристик. Погрешности определения энергии активации вязкого течения £м и структурной составляющей вязкости In ¡1 при отверждении ПКМ составляют: 5£ц = 7 % и - 9 %.

В приложении представлены листинги программ, результаты экспериментов, расчетов характеристик ПКМ при отверждении и акты внедрения диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В диссертационной работе рассмотрены и решены задачи, связанные с построением информационно-измерительной системы для определения реологических характеристик связующих при горячем прессовании композитов и получены следующие результаты:

1 На основе анализа существующих информационно-измерительных систем предложены основные этапы разработки ИИС процесса отверждения композитов, позволяющие выработать рациональный подход к построению системы.

2 Посфоена математическая модель процесса отверждения композитов при экспериментальном исследовании с учетом течения связующего и уменьшения толщины образца, положенная в основу измерительного устройства ИИС.

3 Разработан метод определения реологических характеристик связующих при отверждении композитов, составляющий ядро математического обеспечения ИИС, заключающийся в измерении уменьшения толщины образца за счет вытекания связующего под технологическим давлением.

4 Разработаны алгоритмы решения уравнений модели процесса отверждения композитов и разработан комплекс программ для численного моделирования температурных и конверсионных полей при отверждении изделий из композитов при горячем прессовании с учетом течения связующего, позволяющие проводить имитационные исследования.

5 Предложена архитектура и структура обеспечивающих подсистем ИИС исследования процесса отверждения композитов, учитывающая особенности исследуемого объекта.

6 На основе математических моделей и предложенного метода определения реологических характеристик связующих при отверждении композитов разработано алгоритмическое и прикладное программное обеспечение ИИС.

7 В рамках разработки информационного и организационного обеспечения создана база данных и пользовательский интерфейс ИИС.

8 Проведены имитационное моделирование и исследования, на основе которых определены рациональные условия проведения экспериментов с помощью ИИС и конструктивные параметры измерительного устройства, а также теоретически оценены погрешности определения реологических характеристик.

9 Разработана методика проведения экспериментальных исследований в ИИС, основанная на определении и уточнении условий проведения эксперимента с помощью имитационного моделирования, позволяющая определять реологические характеристики с минимально возможной погрешностью, составляющей 5£м=7%и01ч1-9%.

10 Выполнена оценка метрологических характеристик разработанной ИИС.

11 Разработана и создана ИИС, позволяющая определять реологические характеристики связующих при отверждении композитов.

12 С применением ИИС экспериментально исследованы реологические характеристики связующих при отверждении, ТФХ и кинетические характеристики нескольких типов композитов, а также наполнена информацией база данных.

Основные материалы, отражающие результаты диссертационной работы, изложены в следующих публикациях

1 Дмитриев, А.О. Метод исследования параметров течения связующего при отверждении композитов / А.О. Дмитриев, C.B. Мищенко // Вестник 11 ГУ. 2005. Т. 11. №1А.С. 53-61.

2 Мищенко, C.B. Исследование корреляции диэлектрической и калориметрической степени отверждения углепластиков / C.B. Мищенко, О.С. Дмитриев, А.О. Дмитриев // Вестник ТГТУ. 2004. Т. 10. № 1Б. С. 195 - 200.

3 Мищенко. C.B. Экспериментальное исследование корреляции диэлектрической и калориметрической степени отверждения углепластиков / C.B. Мищенко, О.С. Дмитриев, В.Н. Кириллов. А О. Дмитриев II Теория и практика технологий производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов (ТПКММ): Труды междунар. конф. МГУ. Москва, 2003, С. 235 - 240.

4 Дмитриев, А.О. Метрологический анализ и исследование устойчивости алгоритмов решения ОЗТ / А.О. Дмитриев, C.B. Мищенко // Метрология, стандартизация, сертификация и управление качеством продукции. Школа-семинар молодых ученых: Тез. докл. /ТГТУ. Тамбов, 2003. С. 104 - 107.

5 Дмитриев, А О. Метод и алгоритм определения реокинетических характеристик при отверждении композитов / А.О. Дмитриев, А.В Шаповалов // Теплофизиче-ские измерения в начале XXI века: Тез. докл. IV Межд\'нар. теплофиз. шк. Тамбов, 2001,4. 2. С. 19-21

6 Касатонов, И С Опенка поправок мощности теплового потока при определении теплофизических свойств / И С. Касатонов, А.О. Дмитриев, C.B. Алексеев // VIII науч. конф.: пленарные докл. и краткие тез. Тамбов, 2003. Ч. 1 С. 54-55.

7 Мишенко, С.В Повышение интенсивности процесса отверждения изделий из полимерных композитов / C.B. Мищенко, А.О. Дмитриев, О.С. Дмитриев // Матер. IV Между-нар. конф. молодых ученых и студентов. Самара, 2003. С. 34-35.

8 Дмитриев, А.О. Методика оценки погрешностей определения кинетических и реологических характеристик ПКМ / А.О. Дмитриев, О.С. Дмитриев, А.В. Шаповалов //

IX науч конф.: Пленарные докл. и краткие тез. Тамбов, 2004. С. 300-301.

9 Мищенко, C.B. Метод исследования и моделирование процесса течения связующего при отверждении композитов / C.B. Мищенко, О.С. Дмитриев, В.Н. Кириллов, АО. Дмитриев II Композиционные материалы в промышлешюсш. Матер XXIV ежегодной междунар. конф. и выставки ! Ялта, 2004. С. 258-259.

10 Мищенко, С В Метод исследования параметров течения связующего при отверждении композитов / С.В Мищенко, О.С Дмитриев, А О. Дмитриев // Теплофизи-ческие измерения при контроле и управлении качеством: Матер V Междунар. теплофиз. шк. Тамбов, 2004, Ч. 1. С. 241 -243.

11 Мищенко, С.В. Программное и алгоритмическое обеспечение интегрированной информационно-измерительной системы исследования и проектирования процесса отверждения полимерных композитов / С.В. Мищенко. О.С. Дмитриев, А.О. Дмитриев, И.С. Касатонов // Теплофизические измерения при контроле и управлении качеством-Матер. V Междунар. теплофиз. шк. Тамбов, 2004, Ч. 2. С. 20 - 22.

12 Мищенко, С.В. Метрологический анализ метода определения параметров течения связующего при отверждении композитов / С.В. Мищенко, А.О. Дмитриев //

X науч конф.: Пленар докл и краткие тез. Тамбов, 2005. С 300-301.

13 Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. Л® 2004611294. Программа расчета мощности тепловыделений / С.В Мищенко, А О. Дмитриев, О.С. Дмитриев 2004.

14 Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005612803. Программа расчета параметров течения связующего при отверждении композитов / С.В Мищенко, А.О. Дмитриев, О.С Дмитриев. 2005.

15 Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. Ne 2005612804. Программа расчета оптимальных режимов отверждения плоских изделий из композитов / О.С. Дмитриев, С.В. Мищенко, А.О. Дмитриев. 2005.

Подписано к печати 7.11.2005 Гарнитура Times New Roman. Формат 60 х 84/16. Бумша офсетная. Печать офсетная. Объем: 0,93 усл. печ. л.; 1,0 уч.-изд. л. Тираж 100 экз. С. 754

Издательско-полиграфический центр ТГТУ 392000, Тамбов, Советская, 106, к. 14

»2 2 2 0 3

РНБ Русский фонд

2006-4 18317

/

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ОТВЕРЖДЕНИЯ КОМПОЗИТОВ

1.1. Информационно-измерительные системы. Понятия и основы.

1.2. Полимерные композиционные материалы. Применение, структура и технология производства.

1.3. Методы и установки для исследования реологических характеристик композитов при отверждении.

1.4. Постановка задачи.

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ.

2.1. Основные этапы разработки ИИС.

2.2. Разработка математической модели процесса отверждения при горячем прессовании изделий из композитов.

2.3. Разработка математической модели процесса отверждения композитов при экспериментальном исследовании.

2.4. Разработка метода определения реологических характеристик связующего при экспериментальном исследовании.

2.5. Разработка алгоритма численного решения уравнений математической модели процесса отверждения изделий из композитов при горячем прессовании.

2.5.1. Алгоритм численного решения уравнения теплопроводности с внутренними источниками тепла и изменением толщины.

2.5.2. Алгоритм численного решения дифференциального уравнения кинетики.

2.5.3. Алгоритм численного решения дифференциального уравнения течения связующего вдоль волокон наполнителя при горячем прессовании изделия.

2.5.4. Алгоритм реализации численного решения системы уравнений теплопроводности, кинетики и течения связующего.

2.5.5. Исследование точности численного решения краевой задачи теплопроводности.

2.5.6. Исследование точности численного решения дифференциальных уравнений кинетики и течения связующего.

2.6. Разработка алгоритма расчёта реологических характеристик связующего при экспериментальном исследовании.

2.6.1. Методика численной обработки экспериментальных данных.

2.6.2. Алгоритм расчёта реологических характеристик связующего при экспериментальном исследовании

2.6.3. Алгоритм численной реализации метода определения реологических характеристик связующего при экспериментальном исследовании.

2.7. Выводы

3. АРХИТЕКТУРА ИИС И ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1. Структура построения ИИС.

3.1.1. Обоснование состава и назначение основных компонент ИИС

3.1.2. Аппаратно-техническое обеспечение ИИС.

3.2. Программное обеспечение ИИС.

3.2.1. Информационное и организационное обеспечение ИИС.

3.2.2. Построение пользовательского интерфейса и прикладного программного обеспечения ИИС.

3.2.3. Функционирование комплекса аппаратных и программных средств ИИС.

3.3. Построение модуля имитационное моделирования ИИС.

3.3.1. Структура алгоритмического и программного обеспечения модуля имитационного моделирования

3.3.2. Имитационные исследования по определению условий проведения эксперимента.

3.4. Выводы

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И МЕТРОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ХАРАКТЕРИСТИК ИИС

4.1. Применение ИИС для исследования реологических характеристик связующего при горячем прессовании.

4.1.1. Методика подготовки образцов для исследования.

4.1.2. Методика экспериментального исследования.

4.1.3. Методика обработки экспериментальных данных в ИИС.

4.1.4. Экспериментальное исследование реологических характеристик связующих при горячем прессовании.

4.2. Метрологическая оценка характеристик ИИС.

4.3. Выводы

Полимерные композиты на основе термореактивных связующих в настоящее время являются одними из наиболее перспективных конструкционных материалов. Сочетание уникальных свойств полимерных композиционных материалов (ПКМ): малая объемная масса, высокие прочностные характеристики, низкая теплопроводность - обеспечили их широкое применение в авиационной, космической, автомобильной, судостроительной, химической и других отраслях современного производства. Необходимым условием высокого качества изделий из ПКМ является оптимальный технологический процесс их получения, спроектировать который возможно только на основе методов математического моделирования. Это обстоятельство предъявляет повышенные требования к полноте и точности определения параметров математических моделей процесса отверждения ПКМ.

До недавнего времени при расчете температурно-временного режима отверждения ПКМ в математической модели учитывали только процессы те-плопереноса и химической кинетики. При горячем прессовании ПКМ под технологическим давлением имеет место также течение связующего, которое существенно влияет на температурно-временной режим отверждения. Поэтому актуальным является разработка метода и измерительного устройства для определения реологических характеристик связующих в процессе отверждения ПКМ.

Реологические характеристики связующего, к которым относятся энергия активации вязкого течения, структурная составляющая вязкости и собственно динамическая вязкость существенно зависят от температуры и степени отверждения. Для исследования сложных зависимостей характеристик процесса отверждения полимерных композиционных материалов, необходимо использовать специальные методы, основанные на переработке большого объема экспериментальной информации, сбор которой без автоматизации эксперимента, дальнейшей численной обработки и систематизации данных невозможен. Поэтому для экспериментального исследования реологических характеристик связующих в процессе отверждения ПКМ возникает необходимость построения информационно-измерительной системы (ИИС), как комплекса аппаратных средств, математического, алгоритмического, программного, информационного и организационного обеспечения.

Предмет исследований. Метод и информационно-измерительная система для определения реологических характеристик связующих при горячем прессовании композитов; математическое, алгоритмическое, программное, информационное и аппаратное обеспечение ИИС; структура и алгоритмы обработки экспериментальных данных; методика и условия проведения экспериментальных исследований; метрологический анализ ИИС; реологические характеристики связующего при отверждении ПКМ.

Цель работы. Разработка информационно-измерительной системы для определения реологических характеристик связующих при горячем прессовании композитов, позволяющей в автоматическом режиме проводить все операции, связанные с экспериментальным исследованием и расчетом характеристик ПКМ.

Для достижения поставленной цели необходимо:

- разработать метод определения реологических характеристик связующих при горячем отверждении композитов в условиях, близких к производственным;

- разработать аппаратные средства ИИС на базе персонального компьютера для определения реологических характеристик связующих при отверждении ПКМ;

- разработать алгоритмическое и программное обеспечение ИИС исследования процесса течения связующих при отверждении композитов;

- разработать комплекс программ для численного моделирования температурных и конверсионных полей при отверждении изделий из композитов при горячем прессовании с учетом течения связующего;

- проверить работоспособность ИИС путем экспериментального исследования реологических характеристик связующих при отверждении различных типов композитов.

Методы исследования. В диссертационной работе использованы методы решения уравнений математической физики, методы теплофизических и реологических измерений, численные методы, теоретические основы информатики, электроники, вычислительной техники и измерительных систем.

Научная новизна. Предложены основные этапы разработки ИИС исследования процесса отверждения композитов, позволяющие выработать рациональный подход к построению системы.

На основе построенной математической модели процесса отверждения композитов при экспериментальном исследовании, учитывающей течение связующего под давлением, разработан метод определения реологических характеристик связующего при отверждении ПКМ, составляющий ядро математического обеспечения ИИС.

Предложена структура обеспечивающих подсистем ИИС исследования процесса отверждения композитов, учитывающая особенности исследуемого объекта.

Разработано алгоритмическое обеспечение ИИС, предназначенное для численного моделирования и исследования процесса течения связующего на основе предложенной математической модели и метода определения реологических характеристик при отверждении ПКМ.

С помощью имитационного моделирования исследованы и определены условия проведения экспериментов в ИИС. Разработана методика экспериментального исследования в ИИС с уточнением условий проведения эксперимента с помощью имитационного моделирования, позволяющая определять реологические характеристики с минимально возможной погрешностью, составляющей 8ец = 7 % и б^ц = 9%.

Практическая значимость. Разработана и создана ИИС для определения реологических характеристик связующих при отверждении композитов.

Разработан пользовательский интерфейс и прикладное программное обеспечение ИИС.

Разработана структура и наполнена информацией база данных характеристик ПКМ различных типов.

Разработан комплекс программ для численного моделирования температурных и конверсионных полей при отверждении изделий из композитов при горячем прессовании с учетом течения связующего.

Разработана методика обработки экспериментальных данных в ИИС.

С применением ИИС экспериментально исследованы реологические характеристики связующих при отверждении композитов различных типов.

Реализация работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных работ автора нашли применение в:

ФГУП «ВИАМ», г. Москва при расчете и отработке режимов отверждения изделий из ПКМ;

ОАО «АРТИ-завод», г. Тамбов при математическом моделировании и расчете процесса вулканизации резинотехнических изделий; учебном процессе на кафедре «Автоматизированные системы и приборы» ТГТУ.

На отдельные программные продукты получены свидетельства о регистрации (список приведен в перечне публикаций).

Апробация. Основные положения диссертации докладывались на IV Международной теплофизической школе (Тамбов, 2001), VIII Научной конференции ТГТУ (Тамбов, 2003), Школе-семинаре молодых ученых по метрологии и сертификации (Тамбов, 2003), IV Международной конференции молодых ученых и студентов. (Самара, 2003), Международной конференции «Теория и практика технологий производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов» (Москва, 2003), IX-й научной конференции (Тамбов, 2004), XXIV ежегодной международной конференции и выставке по композиционным материалам (Ялта, 2004), V Международной теплофизической школе (Тамбов, 2004), X научной конференции (Тамбов, 2005), Международной конференции «Теория и практика технологий производства изделий из композиционных материалов» (Москва, 2005).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 научных работ.

На защиту выносятся:

1. Основные этапы разработки ИИС исследования процесса отверждения композитов, позволяющие выработать рациональный подход к построению системы.

2. Математическая модель процесса отверждения композитов при экспериментальном исследовании с учётом течения связующего и уменьшения толщины образца, положенная в основу измерительного устройства ИИС

3. Метод определения реологических характеристик связующих при отверждении композитов, составляющий ядро математического обеспечения ИИС, заключающийся в измерении уменьшения толщины образца за счет вытекания связующего под технологическим давлением.

4. Алгоритмы решения уравнений математической модели процесса отверждения композитов, позволяющие проводить имитационные исследования. Комплекс программ для численного моделирования температурных и конверсионных полей при отверждении изделий из композитов при горячем прессовании с учетом течения связующего.

5. Архитектура построения и структура обеспечивающих подсистем ИИС исследования процесса отверждения композитов.

6. Алгоритмическое обеспечение ИИС моделирования и исследования процесса течения связующего, разработанного на основе предложенной математической модели и метода определения реологических характеристик.

7. Результаты имитационного моделирования и исследования оптимальных условий проведения экспериментов с помощью ИИС.

8. Конструкция разработанной и созданной ИИС для определения реологических характеристик связующих при отверждении композитов, пользовательский интерфейс и прикладное программное обеспечение ИИС.

9. Методика обработки экспериментальных данных в ИИС.

10. Результаты экспериментальных исследований реологических характеристик связующих при отверждении, ТФХ и кинетические характеристики нескольких типов композитов выполненных с применением ИИС, а также наполненная информацией база данных.

11. Результаты проведения метрологической проработки и оценки характеристик ИИС.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка литературы, приложения. Основная часть диссертации изложена на 159 страницах машинописного текста. Работа содержит 37 рисунков, 12 таблиц.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

В диссертационной работе рассмотрена и решена задача построения информационно-измерительной системы для определения реологических характеристик связующего при горячем прессовании композитов и получены следующие результаты:

1. На основе анализа существующих информационно-измерительных систем предложены основные этапы разработки ИИС процесса отверждения композитов, позволяющие выработать рациональный подход к построению системы.

2. Построена математическая модель процесса отверждения композитов при экспериментальном исследовании с учетом течения связующего и уменьшения толщины образца, положенная в основу измерительного устройства ИИС.

3. Разработан метод определения реологических характеристик связующих при отверждении композитов, составляющий ядро математического обеспечения ИИС, заключающийся в измерении уменьшения толщины образца за счет вытекания связующего под технологическим давлением.

4. Разработаны алгоритмы решения уравнений модели процесса отверждения композитов и разработан комплекс программ для численного моделирования температурных и конверсионных полей при отверждении изделий из композитов при горячем прессовании с учетом течения связующего, позволяющие проводить имитационные исследования.

5. Предложена архитектура и структура обеспечивающих подсистем ИИС исследования процесса отверждения композитов, учитывающая особенности исследуемого объекта.

6. На основе математических моделей и предложенного метода определения реологических характеристик связующих при отверждении композитов разработано алгоритмическое и прикладное программное обеспечение ИИС.

7. В рамках разработки информационного и организационного обеспечения создана база данных и пользовательский интерфейс ИИС.

8. Проведены имитационное моделирование и исследования, на основе которых определены рациональные условия проведения экспериментов с помощью ИИС и конструктивные параметры измерительного устройства, а также теоретически оценены погрешности определения реологических характеристик.

9. Разработана методика проведения экспериментальных исследований в ИИС, основанная на определении и уточнении условий проведения эксперимента с помощью имитационного моделирования, позволяющая определять реологические характеристики с минимально возможной погрешностью, составляющей 5^ = 7 % и 5inn= 9 %.

10. Выполнена оценка метрологических характеристик разработанной ИИС.

11. Разработана и создана ИИС, позволяющая определять реологические характеристики связующих при отверждении композитов.

12. С применением ИИС экспериментально исследованы реологические характеристики связующих при отверждении, ТФХ и кинетические характеристики нескольких типов композитов, а также наполнена информацией база данных.

1. Кафаров, В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. / В.В. Кафаров. М.: Химия, 1985.- 419 с.

2. Устинова, Г.М. Информационные системы менеджмента/ Г.М. Устинова : учеб. пособие. СПб: Изд-во "ДиаСофт ЮП", 2000. - 368 с.

3. Основы построения информационно- измерительных систем: пособие по системной интеграции. / Н.А. Виноградова, и др.; под ред. В.Г. Свиридова. -М.: МЭИ, 2004.-268 с.

4. Информационно-измерительная техника и технологии: учебник для вузов. / В.И. Калашников, и др.; Ред. Г.Г. Раннева. М.: Высшая школа, 2002. - 453 с.

5. Методы анализа и синтеза модульных информационно-управляющих систем. / Н.А. Кузнецов, и др.. М.: Физматлит, 2002. -800 с.

6. Пытьев, Ю.П. Методы математического моделирования измерительно-вычислительных систем. / Ю.П. Пытьев. М.: Физматлит, 2002. -383 с.

7. Микита, Г.И. Измерительные информационные системы в технике: учеб. пособие для вузов / Г.И. Микита. М.: Рос. гос. открытый техн. ун-т путей сообщения, 2002. -72 с.

8. Новосёлов, О.Н. Основы теории и расчёта информационно-измерительных систем. / О.Н. Новосёлов, А.Ф. Фомин М.: Машиностроение, 1991.-336 с.

9. Матвейкин, В.Г. Применение SCADA-систем при автоматизации технологических процессов: учеб. пособие / В.Г. Матвейкин, С.В. Фролов, М.Б. Шехтман. М.: Машиностроение, 2000. - 176 с.

10. Кафаров, В.В. Основы автоматизированного проектирования химических производств. / В.В. Кафаров, В.Н. Ветохин. М.: Наука, 1987.- 624 с.

11. Автоматизированные производства изделий из композиционных материалов. / B.C. Балакирев, и др.; Под ред. B.C. Балакирева.- М.: Химия, 1990.- 240 с.

12. Мищенко, C.B. Автоматизированная система исследования процесса отверждения композиционных полимерных материалов. / С.В. Мищенко, О.С. Дмитриев, Н.П. Пучков, А.В. Шаповалов // Промышленная теплотехника. 1989.- Т. 11, № 5.- С. 79-83.

13. Малкин, А.Я. Химическое формование полимеров. / А.Я. Малкин, В.П. Бегишев.- М.: Химия, 1991.- 240 с.

14. Thermal Analysis System 9000. ULVAC. Sinku-Riko, Inc. Yokohama, Japan. 1994. - 15 p. (Рекламный проспект фирмы Sinku-Riko)

15. Adaptive Control of Filling Pattern in Resin Transfer Molding Process / Minaie and Chen//Journal of Composite Materials.- 2005,- Vol.39.- P.1497-1513.

16. SEE-FLO® 7 RTM RESIN TRANSFER MOLDING / Sealant equipment & Engineering, Inc.- (http://www.sealantequipment.com)

17. Computer-Aided Resin Transfer Molding (CA/RTM) / PEC Company.-(http://www.pec-co.com)

18. Botelho, E.C. Rheological Studies Applied in the Processing and Characterization of Carbon/Carbon Composites / E.C. Botelho, M.C. Rezende and N. Scherbakoff// Journal of Composite Materials.- 2001.- Vol.4.- P. 359-369.

19. Ng, S.J. Degree of Cure, Heat of Reaction and Viscosity of 8552 and 977-3 HM Epoxy Resins / S.J. Ng, R. Boswell, S.J. Claus, F. Arnold and A. Vizzini // Journal of Composite Materials.- 2002.- Vol.2.- P. 149-155.

20. Композиционные материалы, технология и автоматизация производства изделий. / К.В. Фролова, и др.. М.: Истина и жизнь, 1997.- 547 с.

21. Барашков, Н.Н. Полимерные композиты: Получение, свойства, применение. / Н.Н. Барашков. М.: Наука, 1984.- 128 с.

22. Цыплаков, О.Г. Конструирование изделий из композиционно- 'волокнистых материалов. / О.Г. Цыплаков.- JL: Машиностроение, 1984.-140 с.

23. Обухов, А.С. Проектирование химического оборудования из стеклопластиков и пластмасс. / А.С. Обухов.- М.: Машиностроение, 1995.- 239 с.

24. Томашевский, В.Т. Композиционные армированные полимерные материалы в судостроении. / В.Т. Томашевский, Н.А. Панфилов // Композиционные полимерные материалы и их применение в народном хозяйстве: тр. Всесоюз. конф.- Ташкент, 1986.- С. 3-10.

25. Тростянской, Е.Б. Пластики конструкционного назначения (реакто-пласты). / Е.Б. Тростянской. М.: Химия, 1974.- 304 с.

26. Соколов, А.Д. Термореактивные пластмассы для электротехники. / А.Д. Соколов, B.C. Артемов. М.: Машиностроение, 1984.- 160 с.

27. Данцин, М.И. Промышленность полимерных строительных материалов. / М.И. Данцин, Г.Н. Серкова. М.: Химия, 1981.- 184 с.

28. Промышленные полимерные композиционные материалы: пер. с англ. / Под ред. П.Г. Бабаевского. М.: Мир, 1980.- 427 с.

29. Композиционные материалы. / В.В. Васильев, и др..- М.: Машиностроение, 1990.- 512 с.

30. Ханин, М.В. Изнашивание и разрушение полимерных композиционных материалов. / М.В. Ханин, Г.П. Зайцев. М.: Химия, 1990.- 253 с.

31. Антифрикционные эпоксидные композиты в станкостроении. / П.В. Сысоев, и др.. Мн.: Навука i тэхшка, 1990.- 231 с.

32. Мэттьюз, Ф. Композитные материалы. Механика и технология: учебник для вузов: пер.с англ./ Ф. Мэттьюз, Р. Ролингс; Пер. Баженов C.JL- М.: Техносфера, 2004.- 406 с.

33. Новые материалы. / В.Н. Анциферов, и др.; Ред. Карабасов Ю.С.- М.: МИСИС, 2002.- 734 с.

34. Принципы создания композиционных полимерных материалов. / А.А. Берлин, и др..- М.: Химия, 1990.- 237 с.

35. Композиционные материалы в машиностроении. / Ю.Л. Пилиповский, и др.. Киев: Тэхника, 1990.- 141 с.

36. Братухин, А.Г. Современные авиационные материалы: технологические и функциональные особенности. / А.Г. Братухин : учеб. пособие для вузов.- М.: АвиаТехИнформ XXI век, 2001.- 417 с.

37. Влияние давления на кинетику отверждения связующего и его структуру. / М.М. Кардаш, и др. // Производство и переработка пластмасс и синтетических смол: науч.- техн. реф. сб.- М.: НИИТЭХИМ, 1983.- № 1.- С. 32-36.

38. Kliner, К.М. Pressure Effects on Phenolic/Carbon Composite Autoclave Cure / K.M. Kliner, C.W. Lee // 38th International SAMPE Symposium. 1993.-Vol. 38.- May 10-13.-P. 1020-1033.

39. Тканые конструкционные композиты: пер. с англ. / Под ред. Т.В. Чу, Ф. Ко. М.: Мир, 1991.- 432 с.

40. Брагинский, В.А. Прессование. / В.А. Брагинский. JI.: Химия, 1979.171 с.

41. Соколов, А.Д. Производство электротехнических деталей из реакто-пластов литьем под давлением. / А.Д. Соколов, М.М. Швец, B.C. Артемов. -М.: Энергия, 1979.- 184 с.

42. Оленев, Б.А. Проектирование производства по переработке пластмасс. / Б.А. Оленев, Е.М. Мордокович, В.Д. Калошин. М.: Химия, 1982,- 67 с.

43. Воскресенский, A.M. Теоретические основы переработки эластомеров. / A.M. Воскресенский. JL: ЛТИ им. Ленсовета, 1986.- 88 с.

44. Wu, Н.Т. Knowledge Based Control of Autoclave Curing of Composites / H.T. Wu, B. Joseph // SAMPE Journal. 1990.- Vol. 26, № 6.- P. 39-54.

45. Калинчев, B.A. Намотанные стеклопластики. / B.A. Калинчев, M.C. Макаров. М.: Химия, 1986.- 272 с.

46. Дедюхин, В.Г. Прессованные стеклопластики. / В.Г. Дедюхин, В.П. Ставров. М.: Химия, 1976.- 272 с.

47. Шатунов, Е.С. Теплофизические измерения в монотонном режиме. / Е.С. Платунов. Л.: Энергия, 1973.- 144 с.

48. Теплофизические измерения и приборы. / Е.С. Платунов, и др.. Л.: Машиностроение, 1986.- 256 с.

49. Автоматизированный прибор для измерения теплопроводности. / В.В. Курепин, и др. //ВестникТГТУ, Тамбов. 1998.- Т.4, № 2-3.- С. 255-262.

50. Пивень, А.Н. Теплофизические свойства полимерных материалов: справ. / А.Н. Пивень, Н.А. Гречанная, И.И. Чернобыльский. Киев: В ища школа, 1976.- 180 с.

51. Теплофизические измерения: Справочное пособие по методам расчета полей, характеристик теплопереноса и автоматизации измерений. / В.В. Власов, и др.. Тамбов.: Изд. ВНИИРТМАШ, 1975.- 254 с.

52. Установка для измерения температуропроводности металлических образцов малых размеров с использованием лазерного нагрева. / И.Г. Коршунов, и др. // Вестник ТГТУ, Тамбов. 1998.- Т.4, № 2-3.- С. 263-274.

53. Кищенко, Т.А. Автоматизированная система идентификации теплофи-зических параметров на основе решения ОЗТ. / Т.А. Кищенко, П.Г. Круков-ский // Инж. физ. журн. 1983. - Т.45, № 5. - С. 825- 828.

54. Коздоба, Л.А. Методы решения обратных задач теплопереноса. / Л.А. Коздоба, П.Г. Круковский. Киев: Наук, думка, 1982.- 360 с

55. Автоматизированная установка для исследования термодиффузии и взаимной диффузии газовых смесей. / А.Г. Шашков, и др. // Инж. физ. журн. 1998.- Т.71, № 1.-С. 182-188.

56. Мищенко, С.В. Автоматизированный комплекс исследования и выбора оптимальных режимов отверждения. / С.В. Мищенко, О.С. Дмитриев, А.В.1. j

57. Шаповалов // Химическое и нефтяное машиностроение. 1993.- № 3.- С. 31-33.

58. Тепловой метод измерения макрокинетики отверждения реакционно-способных олигомеров. / З.П. Шульман, и др. // Инж. физ. журн. 1991.-Т.60, № 6.- С. 979-986.

59. Кинетика, механизм отверждения и теплообмен эпоксидных композиций. / З.П. Шульман, и др. // Инж. физ. журн. 1990. - Т.59, № 3.- С. 387-394.

60. Практикум по полимерному материаловедению. / Под ред. П.Г. Бабаевского. М.: Химия, 1980.- 265 с.

61. Ли, X. Справочное руководство по эпоксидным смолам: пер. с англ. / X. Ли, К. Невилл. М.: Энергия, 1973.- 184 с.

62. Кальве, Э. Микрокалориметрия: пер. с англ. / Э. Кальве, А. Прат. М.: Мир, 1973.-477 с.

63. Берштейн, В.А. Дифференциальная сканирующая калориметрия в фи-зикохимии полимеров. / В.А. Берштейн, В.М. Егоров. Л.: Химия, 1990.- 256 с.

64. Исследование процессов отверждения на основе эпоксидной смолы методом ДСК. / А.В. Хабенко, и др. // Пластич. массы. 1991. - № 2.- С. 59-61.

65. Малкин, А.Я. Диффузия и вязкость полимеров. Методы измерения. / А.Я. Малкин, А.Е. Чалых. М.: Химия, 1979.- 304 с.

66. Малкин, А.Я., Реология в процессах образования и превращения полимеров. / А.Я. Малкин, С.Г. Куличихин. М.: Химия, 1985.- 240 с.

67. Реокинетика отверждения углепластиков. / Э.А. Джавдян, и др. // Высокомолекул. соед. Сер. Б. 1994.- Т.36, № 5.- С. 833- 835.

68. Куличихин, С.Г. Изменение вязкости в процессе отверждения карба-мидоформальдегидных олигомеров. / С.Г. Куличихин, В.Б. Войт, В.В. ГлухихI

69. И Высокомолекул. соед. Сер. Б. 1993.- Т.35, № 6.- С. 301-303. j

70. Басов, Н.И. Контроль качества полимерных материалов. / Н.И. Басов, В.А. Любартович; Под ред. В.А. Брагинского. 2-е изд., перераб.- Л.: Химия, * 1990.- 113 с.

71. Trivisano, A. Modelling of the Thermorheological Behavior of High Performance Composites / A. Trivisano, A. Maffezzoli, J.M. Kenny, L. Nicolais // 35th International SAMPE Symposium. 1990.- Vol. 35.- April 2-5.- P. 590-603.

72. Xuanzheng, W. A Viscosity Model of Epoxy Resin Matrix During Curing Process / W. Xuanzheng, C. Yan, T. Jianmao, Q. Zongneng // 35th International SAMPE Symposium. 1990.- Vol. 35.- April 2-5.- P. 2017-2023.

73. Hamada, H. Analysis of Cure and Flow Behavior of SMC During Compression Molding / H. Hamada, K. Futamata, H. Naito // 52nd Annual Conference, Composites Institute, SPI. 1997.- Vol. 52.- Jan. 27-29.- P. 11B:1-11B:6.

74. Hamada, K. Study of In-Mold Flow Behavior of SMC / K. Hamada, T. Harada, T. Tomiyama, H. Yamada // 52nd Annual Conference, Composites Institute, SPI. 1997.- Vol. 52.- Jan. 27-29.- pp. 110-118.

75. Um, M.K. Numerical Simulation of Resin Transfer Molding Process Using Boundary Element Method / M.K. Um, W.I. Lee // 35th International SAMPE Symposium. 1990.- Vol. 35.- April 2-5.- P. 1905-1916.

76. Бенин, А.И. Автоматизированная система научных исследований кинетики химических реакций на основе унифицированных решений. / А.И. Бенин, Ю.В. Шарисов // Методы кибернетики хим.- технол. процессов: тез. докл. Всесоюз. науч. конф. М., 1984.- С. 154-155

77. Мищенко, С.В. Автоматизированная система научных исследований из стандартных компонентов. / С.В. Мищенко, В.Е. Подольский, А.А. Чури- '. ков // Пром. теплотехника. 1988.- Т.10, № 5.- С. 101-103.

78. Дмитриев, О.С. Математическое моделирование процесса отверждения изделия из полимерных композиционных материалов методом горячего прессования. / О.С. Дмитриев, С.В. Мищенко, С.В. Пономарев // Вестник ТГТУ. 1998.- Т.4, № 4.- С. 390-399.

79. Дытнерский, Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. / Ю.И. Дытнерский. М.: Химия, 1995, 4.1, 2 - 730 с.

80. Кутепов, A.M. Общая химическая технология: учеб. для вузов, 2-е ' изд., испр. / A.M. Кутепов, Т.Н. Бондарев, М.Г. Беренгартен. М.: Высш. шк., 1990.- 520 с.

81. Шанин, Н.П. Производство асбестовых технических изделий. / Н.П. Шанин, М.М. Бородулин, Ю.Я. Колбовский. Л.: Химия, 1983.- 240 с.

82. Лукомская, А.И. Автоматическое управление технологическими процессами в резиновой промышленности. / А.И. Лукомская, В.Г. Пороцкий. -М.: Химия, 1984.- 160 с.

83. Машины для автоматизированного производства деталей из реакто-пластов. / А.Д. Сколов, и др.. М.: Машиностроение, 1990.- 303 с.

84. Дмитриев, А.О. Метод исследования параметров течения связующего при отверждении композитов. / А.О. Дмитриев, С.В. Мищенко // Вестник ТГТУ. 2005.- Т.11, №1А.- С. 53-61.

85. Дмитриев, А.О. Метод и алгоритм определения реокинетических характеристик при отверждении композитов. / А.О. Дмитриев, А.В. Шаповалов// IV Междунар. теплофиз. школа: тез. докл. Тамбов.: ТГТУ, 2001, Ч.2.-С. 19-21.

86. Мищенко, С.В. Метод исследования параметров течения связующего при отверждения композитов. / С.В. Мищенко, О.С. Дмитриев, А.О. Дмитриев // Материалы V Междунар. теплофиз. школы. Тамбов, 2004, 4.1.- С. 241243.

87. Волков, Д.П. Проницаемость пористых материалов/ Д.П. Волков // Инж. физ. журн. 1981.- Т.41, № 3.- С. 421-427.

88. Марчук, Г.И. Методы вычислительной математики. / Г.И. Марчук. -Новосибирск: Наука, 1973.- 352 с.

89. Корн, Г. Справочник по математике: для научных работников и инженеров: пер. с англ. / Г. Корн, Т. Корн. М.: Наука, 1973. - 832 с.

90. Калиткин, Н.Н. Численные методы. / Н.Н. Калиткин. М.: Наука, 1978.-512 с.

91. Бахвалов, Н.С. Численные методы. / Н.С. Бахвалов, Н.П. Жидков, Г.М. Кобельков. М.: Наука, 1987.- 600 с.

92. Самарский, А.А. Введение в численные методы. / А.А. Самарский. -М.: Наука, 1987.- 288 с.

93. Лыков, А.В. Теория теплопроводности. / А.В. Лыков.- М.: Высш. школа., 1967.-599с.

94. Альберг, Дж. Теория сплайнов и ее приложения: пер. с англ. / Дж. Альберг, Э. Нильсон, Дж. Уолш. М.: Мир, 1972. - 316 с.

95. Макаров, В.Л. Сплайн-аппроксимация функции: учебн. пособие для втузов. / В.Л. Макаров, В.В. Хлобыстов. М.: Высш. школа, 1983. - 80 с.

96. Воскобойников, Ю.Е. Построение дескриптивных приближений для сглаживания и дифференцирования экспериментальных данных/ Ю.Е. Воскобойников // Автометрия. 1983.- № 9.- С. 87-95.

97. Корнейчук, Н.П. Сплайны в теории приближения. / Н.П. Корнейчук.-М.: Наука, 1984.-352 с.

98. Стечкин, С.Б. Сплайны в вычислительной математике. / С.Б. Стечкин; Ю.Н. Субботин. М.: Наука, 1976. - 248 с.

99. Попов, Б.А. Равномерное приближение сплайнами. / Б.А. Попов. Киев: Наук, думка, 1989.- 272 с.

100. Крылов, В.И. Справочная книга по численному интегрированию. / , В.И. Крылов, Д.Т. Шульгина. М.: Наука, 1966.- 372 с.

101. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. 1 №2005612803. Программа расчета параметров течения связующего при отверждении композитов. / С.В. Мищенко, О.С. Дмитриев, А.О. Дмитриев. -2005.

102. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. №2004611294. Программа расчета мощности тепловыделений. / С.В. Мищенко, О.С. Дмитриев, А.О. Дмитриев. 2004.

103. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. №2005612804 . Программа расчета оптимальных режимов отверждения плоских изделий из композитов. / С.В. Мищенко, О.С. Дмитриев, А.О. Дмитриев. -2005.

104. Касатонов, И.С. Оценка поправок мощности теплового потока при определении теплофизических свойств / И.С. Касатонов, А.О. Дмитриев, С.В. Алексеев // VIII научная конф.: пленарные докл. и краткие тез. Тамбов, 2003, Ч.1.- С. 54-55.

105. Мищенко, С.В. Повышение интенсивности процесса отверждения изделий из полимерных композитов. / С.В. Мищенко, А.О. Дмитриев,

106. О.С. Дмитриев, // IV междунар. конф. молодых учёных и студентов: материалы конф. Самара, 2003.- С. 34-35.

107. Тейксейра, С. Delphi 5. Руководство разработчика. Том 1. Основные методы и технологии программирования / С. Тейксейра, К. Пачеко. Вильяме, 2000.- 832 с.

108. Шеннон, Р. Имитационное моделирование систем. Искусство и наука. / Р. Шеннон. М.: Мир, 1978.- 418 с.

109. Бромберг, Э.М Тестовые методы повышения точности измерения. / Э.М, Бромберг, К.П. Куликовский. М.: Энергия, 1978.- 120 с.

110. Дмитриев, А.О. Методика оценки погрешностей определения кинетических и реологических характеристик ПКМ. / А.О. Дмитриев, О.С. Дмитриев, А.В. Шаповалов // IX научная конф.: пленарные докл. и краткие тез. Тамбов, 2004.- С. 300-301.

111. Мищенко, С.В. Метрологический анализ метода определения параметров течения связующего при отверждении композитов. / С.В. Мищенко, А.О. Дмитриев // Пленарные докл. и краткие тез. X научн. конф. Тамбов, 2005.-С. 300-301.

112. Мищенко, С.В. Исследование корреляции диэлектрической и калориметрической степени отверждения углепластиков. / С.В. Мищенко, О.С. Дмитриев, А.О. Дмитриев // Вестник ТГТУ. 2004.- Т. 10, №1Б.- С. 195-200.

113. Сергеев, О.А. Метрологические основы теплофизических измерений. / О.А. Сергеев. М.: Изд. стандартов, 1972.- 156 с.

114. Шабалин, Ю.В. Синтез и анализ метрологического обеспечения технических систем. / Ю.В. Шабалин. Королев: Изд-во ОАО "Ин-т подготовки кадров машиностроения и приборостроения", 2000.- 313 с.

115. Грановский, В.А. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях./ В.А. Грановский, Т.Н. Сирая.- JL: Энергоатомиздат, 1990.- 328 с.

116. Практикум по вероятностным методам в измерительной технике: учеб. пособ. для вузов / В.В. Алексеев, и др.. С.-Петербург: Энергоатомиздат, 1993.- 264 с.

117. Зайдель, А.Н. Ошибки измерения физических величин. / А.Н. Зай-дель.- Л.: Наука, 1974.- 108 с.

118. Новицкий, П.В. Оценка погрешностей результатов измерений. / П.В. Новицкий, И.А. Зограф. Л.: Энергоатомиздат, 1985.- 248 с.

119. Тойберт, П. Оценка точности результатов измерений: пер. с нем. / П. Тойберт. М.: Энергоатомиздат, 1988.- 88 с.