автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Информационно-измерительная система для определения теплофизических характеристик полимерных композиционных материалов

На правах рукописи -

ЖИВЕНКОВА Анна Александровна

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ

МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.11.16 — Информационно-измерительные и управляющие системы (технические науки)

8 АПР 2015

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тамбов-2015

005567013

005567013

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО « П ТУ») на кафедре физики.

Научный руководитель Дмитриев Олег Сергеевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет»

Официальные оппоненты: Битюков Виталий Ксенофонтович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий», кафедра «Информационные и управляющие системы», заведующий кафедрой, президент университета

Ищу к Игорь Николаевич,

доктор технических наук, доцент, Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина» (г. Воронеж), 12 кафедра, начальник

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный

университет»

Защита диссертации состоится 22 мая 2015 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 212.260.05 ФГБОУ ВПО «ТГТУ» по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Ленинградская, д. 1, ауд. 160.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «ТГТУ» www.tstu.ru.

Автореферат разослан 23 марта 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Селиванова Зоя Михайловна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальпость темы исследоваппя. На сегодняшний день такие традиционные материалы, как металлы, древесина, бетон и другие практически исчерпали свои возможности в различных областях промышленности. Им на смену приходят искусственные материалы, создаваемые с определенным набором свойств, требующихся для нужд конкретной области техники. Этими материалами являются полимерные композиционные материалы (ПКМ).

При производстве ПКМ важнейшим технологическим процессом является тепловая обработка составляющих компонентов (армирующего наполнителя, пропитанного полимерным связующим), включая температурно-временной режим отверждения, который обеспечивает получение требуемых свойств конечных полимерных материалов и качество произведенной продукции. Поэтому необходимо осуществлять предварительный расчет и подбор температур-но-временных режимов отверждения для каждого типа ПКМ с учетом конфигурации изделия. Определение оптимальных температурно-временных режимов отверждения ПКМ предусматривает применение математических моделей, идентификацию их параметров и решение оптимизационной задачи.

Одними из ключевых параметров математической модели процесса отверждения ПКМ являются теплофизические характеристики (ТФХ). Определение ТФХ отвержденного ПКМ, а также в процессе отверждения вследствие сбора и обработки большого объема экспериментальной информации требует применения информационно-измерительной системы (ИИС). Особенностью исследования ТФХ ПКМ, связанной с их существенным изменением в ходе отверждения, является необходимость создания условий эксперимента, максимально приближенных к производственным условиям получения ПКМ, включая наличие технологического давления и соответствие укладки слоев. Кроме того, точность определения ТФХ напрямую влияет на адекватность построенной математической модели реальному процессу отверждения, а значит и на качество произведенной продукции.

Поэтому актуальна задача разработки ИИС для определения ТФХ ПКМ в процессе отверждения, обеспечивающей минимальную методическую погрешность определения ТФХ для условий проведения конкретного эксперимента.

Работа выполнена в рамках госзадания Минобрнауки РФ № 2014/219, код проекта 2079, а также в рамках гранта Президента РФ поддержки ведущих научных школ НШ-2411.2014.3.

Степень разработанности темы исследоваппя. В настоящее время существует большое многообразие специализированных ИИС, измерительно-вычислительных комплексов и автоматизированных установок, предназначенных для исследования ТФХ определенного класса материалов. Разработаны основные принципы построения таких систем, изложенные, например, в работах Н. А. Рубичева, Г. Г. Ранеева, В. Л. Волкова, Н. А. Виноградовой, О. Н. Алифанова, Е. С. Платунова и др. В основном они воспроизводят условия экспериментального исследования удобные для получения простых рас-

четных соотношений. Их алгоритмическое обеспечение, как правило, основано на реализации простых расчетных формул и вычислительных алгоритмов. Многие из этих ИИС не могут обеспечить исследования ГГКМ в процессе отверждения и применимы только для исследования твердых материалов и ГТКМ в отвержденном состоянии. Поэтому они имеют существенные недостатки, ограничивающие их использование, такие как трудность в создании специальных условий эксперимента, близких к производственным условиям получения полимерных композитов, узкий диапазон исследуемых температур и скоростей нагрева, трудность определения ТФХ с существенной зависимостью от температуры, влияние условий проведения эксперимента на полученные ТФХ и т.п. Кроме того, пользовательский интерфейс таких ИИС требует от исследователя специальной подготовки и знаний о принципах построения алгоритмов расчета, а также условиях их использования.

Научная задача исследования заключается в разработке ИИС для определения ТФХ ГГКМ, реализующей комплекс алгоритмов расчета ТФХ и обеспечивающей выбор алгоритма с минимальной методической погрешностью для условий проведения конкретного эксперимента, применение которой повышает точность определения ТФХ ПКМ, в том числе в процессе отверждения.

Объектом исследования является ИИС для определения ТФХ ПКМ.

Предметом исследования является математическое, программное и техническое обеспечение ИИС для определения ТФХ ПКМ в отвержденном состоянии и в процессе отверждения.

Целью работы является повышение точности определения ТФХ ПКМ в отвержденном состоянии и в процессе отверждения в результате разработки и применения ИИС для определения ТФХ ГТКМ.

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:

- разработать математическую модель организации процесса нагрева и отверждения ПКМ для определения ТФХ;

- разработать комплекс методов обработки экспериментальных данных и алгоритмов для расчета ТФХ ПКМ, в том числе и в процессе отверждения;

- разработать модуль поддержки принятия решения (МППР), позволяющий выбирать алгоритм расчета ТФХ ПКМ с минимальной методической погрешностью;

- разработать комплекс программ для имитационного моделирования экспериментального определения ТФХ ПКМ и исследования методических погрешностей разработанных методов и алгоритмов;

- разработать ИИС для определения ТФХ ГТКМ с соответствующим математическим, программным и техническим обеспечением, реализующую комплекс разработанных методов и алгоритмов расчета ТФХ ПКМ;

- проверить работоспособность ИИС, разработанных методов, алгоритмов и МППР путем экспериментального исследования и расчета ТФХ ПКМ, в том числе и в процессе отверждения.

Методы исследования. В работе использованы методы: построения ИИС, теплофизических измерений, численного решения уравнений математи-

ческой физики, решения обратных задач теплопроводности (ОЗТ), математического и компьютерного моделирования, линейной фильтрации, имитационного моделировании, принятия решений.

Научная новизна.

1. Разработан комплекс методов обработки экспериментальных данных и алгоритмов расчета ТФХ ГЖМ, основанных на интегральном представлении решения ОЗТ и использовании фильтра Калмана, позволяющих определять ТФХ с нелинейной температурной зависимостью в процессе отверждения ПКМ, которые составляют ядро математического и алгоритмического обеспечения ИИС. Отличительной особенностью алгоритмов являются процедуры: сглаживания зашумленных экспериментальных данных, обеспечивающие устойчивость полученных решений; расчета температурного распределения по толщине образца по температурам его поверхностей и тепловым потокам; расчета скорости движения изотермической поверхности в образце.

2. Разработан модуль поддержки принятия решений, позволяющий выбирать алгоритм расчета ТФХ ПКМ с минимальной методической погрешностью для условий конкретного эксперимента, отличающийся использованием набора условий проведения эксперимента в качестве критериев выбора, а также базой знаний, построенной на основе результатов имитационных и реальных экспериментов по определению ТФХ ПКМ.

3. Предложена структура ИИС для определения ТФХ ПКМ, учитывающая особенности исследования ПКМ в условиях максимально приближенных к производственным и обеспечивающая возможность определения ТФХ в процессе отверждения ПКМ при наличии технологического давления, отличающаяся наличием комплекса алгоритмов расчета ТФХ и модулем автоматизированного выбора алгоритма с минимальной методической погрешностью для условий проведения конкретного эксперимента.

Теоретическая и практическая значимость работы.

1. Разработано математическое и алгоритмическое обеспечение ИИС, содержащее математические модели, методы и алгоритмы для определения ТФХ ПЬСМ в условиях максимально приближенных к производственным.

2. Разработано прикладное программное обеспечение, пользовательский интерфейс ИИС и комплекс программ для имитационного моделирования экспериментального определения ТФХ, исследования методических погрешностей и условий применения алгоритмов расчета ТФХ.

3. Модернизирована аппаратная часть ИИС путем термостатирования усилителей канала измерения температуры, соответственно повышена точность измерения температуры и уменьшена погрешность определения ТФХ ПКМ.

4. Выполнены с применением ИИС экспериментальные исследования ТФХ различных типов ПКМ в отвержденном состоянии и в процессе отверждения.

Положения, выносимые на защиту.

- математическая модель организации процесса нагрева и отверждения ПКМ, положенная в основу математического и алгоритмического обеспечения ИИС для определения ТФХ;

— разработанные методы обработки экспериментальных данных и алгоритмы расчета ТФХ ПКМ в отвержденном состоянии и в процессе отверждения, основанные на интегральном представлении решения ОЗТ с применением аппарата сглаживания кубическими сплайнами и фильтра Калмана;

— принципы построения и функционирования МППР при выборе наилучшего алгоритма расчета ТФХ ПКМ для конкретных условий эксперимента;

— структура и взаимосвязи основных компонент ИИС для определения ТФХ ПКМ;

— метрологическая оценка характеристик ИИС;

— результаты практических исследований ТФХ ПКМ с помощью ИИС.

Внедрение результатов исследования. Результаты диссертационной работы внедрены: на Орловском заводе резиновых изделий ОАО объединение «Альфапластик» (г. Орел), при экспериментальном исследовании процесса вулканизации резинотехнических изделий; в научной деятельности и учебном процессе на кафедре физики ФГБОУ ВПО «ТГТУ».

Степень достоверности и апробация результатов исследования. Достоверность результатов основана на корректном применении методов математического анализа, основ теории теплофизики и математической физики, обеспечена большим объемом проведенных экспериментов, а также подтверждена сходимостью полученных результатов с литературными данными по ранее исследованным материалам, проведением метрологического анализа результатов экспериментов.

Основные положения диссертации представлены на: VII, VIII и IX международных теплофизических школах (Тамбов, 2010; Таджикистан, Душанбе, 2012 и 2014); Всероссийской научной школе «Актуальные проблемы нано- и микроэлектроники» (Тамбов, 2011); III и VI международных научно-инновационных молодежных конференциях «Современные твердофазные технологии: теория, практика и инновационный менеджмент» (Тамбов, 2011 и 2014); XVI Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов «Новые информационные технологии в научных исследованиях» (Рязань, 2011); XXV и XXVII международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (Волгоград, 2012 и Тамбов-Саратов, 2014); II Международной научно-технической конференции «Современные методы и средства исследования теплофизических свойств веществ» (Санкт-Петербург, 2012); XIV Международной научно-методической конференции «Информатика: проблемы, методология, технологии « (Воронеж, 2014).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликована 21 научная работа, из них 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК при Минобрнауки РФ, свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения; четырех глав, заключения; списка использованной литературы, включающего 104 наименования научных трудов на русском и иностранном языках; приложений. Работа изложена на 181 странице, содержит 54 иллюстрации и 9 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы; сформулированы цель и задачи исследования; раскрыты научная новизна, практическая значимость результатов работы; приведены основные положения, выносимые на защиту, результаты апробации и реализации исследований, данные о публикациях автора, структура и аннотация работы по главам.

В первой главе приведен обзор особенностей современных ПКМ, преимуществ их применения в технике и технологий их изготовления, как предметной области, для исследования которой необходимо использование ИИС. Обоснована необходимость применения ИИС для обеспечения полного и качественного исследования свойств ПКМ. Рассмотрены существующие методики, устройства и системы для определения ТФХ полимерных материалов.

В ходе литературного обзора выявлено, что существующие в настоящее время системы и приборы предназначены в основном для определения ТФХ твердых материалов и отсутствуют специализированные ИИС для определения ТФХ ПКМ в условиях имитирующих технологический процесс отверждения, которые учитывали бы все особенности изменения ТФХ ПКМ в ходе химической реакции и структурирования материала. На основании проведенного в главе анализа осуществлена постановка задачи исследования.

Во второй главе описано разработанное математическое обеспечение ИИС. Построена математическая модель нагрева и отверждения ПКМ, представленная системой дифференциальных уравнений теплопроводности с граничными условиями второго рода с изменяющейся под давлением толщиной образца Ь при наличии внутренних источников тепла и химической кинетики.

В предложенной модели ТФХ С(Т, Р) и Х(Т, Р) представлены сложными функциональными зависимостями от температуры Т и степени отверждения р. Поэтому задача разбивается на два этапа: определение температурной зависимости ТФХ и зависимости ТФХ от степени отверждения связующего р.

Задача определения ТФХ как функции степени отверждения р решается на основе температурных зависимостей ТФХ отвержденного Сот(7), Хот(Т) и неотвержденного С„0(7), Х,го(7) ПКМ и имеет вид

С(Т, Р) = (1 - Р)СНП(Т) + р Спт(Т), ЦТ, Р) = —---;-. (1)

Предложено объемную теплоемкость неотвержденного материала СВ0(Т) рассчитывать на основе эффективной теплоемкости Сэф(7), включающую

в себя мощность тепловыделений IV и скорость нагрева ¿/7/сЛ:

Сэф(Г) = С(Г>-^. (2)

Для экспериментального определения ТФХ ПКМ предложена математическая модель организации процесса нагрева и отверждения исследуемых образцов полимерных композитов следующего вида:

а аЛ дх)

Т = Т(Х,0, 0<х<£, 0 <( <(т;

Т(х,0) = /0(х), 0<х<£; (3)

— Х(Т) дТ/дх \х=0 = Уо(0> 0 <(</„,; -ит)оГ/дх\х=[ =,/,(/), o<í<tm.

На основе преобразования математической модели (3) разработан комплекс методов обработки экспериментальных данных и алгоритмов расчета ТФХ ПКМ в отвержденном состоянии, а также в процессе отверждения:

— алгоритм расчета ТФХ как констант или как функций времени (рис. 1);

- алгоритм расчета ТФХ как функций времени по температурам поверхностей образца (рис. 2);

— алгоритм расчета ТФХ как функций температуры на основе интегрального преобразования ОЗТ в виде интегро-функционального уравнения (рис. 3);

- алгоритм расчета ТФХ на основе фильтра Калмана (рис. 4).

Рис. 1. Блок-схема алгоритма расчета ТФХ как констант или как функций времени

Рис. 2. Блок-схема алгоритма расчета ТФХ как функций времени по температурам поверхностей образца

( Начало ) Т......."

Гьмсреинс *

оорачца / ,чго го-шиши / / К» 1 Нч» ъ<1 <{',/

Плчож ¡.С1 тс начали ■> 151111 Ш I ЯП Ш 10 14 М М 1 I Л7*/; ..

Ш'.-■ ;Ч7, ,> ./-* г(.%1 ] ~]...

101.7 1«!

1~1 ' /'Л

14/. / >

11. » -/¡..31

С 1Л;!Ж'йЕ!;Ише Н'МИерЗ ! урною распределен«» сплайном

X

1 Онредеясиис ГФА. отнесенных к I ? срслиелнтефх-Еьным темпер.трлм ?

< и » 4 "., I I " *

! V.., " )

' '' ,/ I /./,• (I/ . I V,-.-/ !

/(Г , «"

I _/, ' 7„, I

_____ „ Т ~

( Перевод 1Ф.Ч. «шегецмых к з :1.р-.\.г.,;сш1!ир:иьиг1!\1 к-мпср.т рач. ^ г I ко .ист;! ;омс гемпераз ср

1 Расчет скорое! и движения

| н.ютепмическон по'и'р^пп.:!:!

щ п 'г <4 (,> / и, I ч; -■£(?/,VI / / ч..л

Пересчет ЛО)/-/

И /.' •• I

I/, г-—-

1 (/, )

'/.' —нег

/</ ........

' Я Г Гц.

I

... ,, 1/» ........................5-Л<й, -!/!,•<

•Г"}.! 1Г{/,,.). „• О

1 ¡ерссчс Г /Л] .)«■> >Л: , !.

6

( Кони» )

Рис. 3. Блок-схема алгоритма расчета ТФХ как функций температуры на основе интегрального преобразования ОЗТ в виде интегро-функционалыюго уравнения

I [¡мерен не

!ОЧ!СРП I ур <)Г>;г.[ .

егото-шппш /, "

[еГПОИЫХ IЮТЧКОВ </..;• Я:,

Нахождение начала К1шмспну!0н:!р)!011> режима

Нахождение нерпою приближения теилопромодносч и >, ,.

7) [

•• г....././>, I ••....../......

7} = Г, ■■■ /п(.г) ••• З.Г:)/(6А,/.).

(: ■=!/(•;, У = ./Л/...Д:

О

¡ >.Ьь/."/I.

'/.': I 7. . ./ / 1/...Л

Расчет опоюк температур

с,.;. бх.-л

Ф © ( Коме» )

Рис. 4. Блок-схема алгоритма расчета ТФХ на основе фильтра Калмана

Первый метод и алгоритм расчета ТФХ основан на интегральном преобразовании уравнения модели теплопереноса, а также допущении о временной зависимости ТФХ с отнесением времени к среднеинтегральной температуре. Исходными данными являются экспериментально измеренные значения температуры по толщине образца и тепловые потоки на его поверхностях.

Второй метод и алгоритм расчета ТФХ также используют интегральное преобразование уравнения модели (3), но формулы расчета адаптированы для случая, когда измерения температуры проводятся только на двух поверхностях.

Третий метод и алгоритм основаны на интегральном преобразовании ОЗТ в виде интегро-функционального уравнения и построения итерационной процедуры его решения. Исходными данными являются экспериментально измеренные температуры внутри образца и тепловые потоки, по которым методом наименьших квадратов, используя явные трехточечные формулы дифференцирования, рассчитывается скорость движения изотермической поверхности, необходимая для решения уравнения.

Четвертый метод и алгоритм основаны на применении принципов фильтрации Калмана, позволяющих на основе математической модели процесса теплопереноса (3) и аналитического решения уравнения теплопроводности, предложенного А. В. Лыковым, по экспериментальным измерениям температурного распределения в образце из ПКМ и тепловых потоков с помощью рекурсивного фильтра построить оценки ТФХ как функций времени.

Устойчивость операции численного дифференцирования во всех алгоритмах достигается сглаживанием экспериментально измеренных температур кубическими сплайнами. Для интегрирования применяется аппарат квадратурных формул, обеспечивающий наиболее точный расчет при наличии трех и более экспериментальных точек по пространственной координате.

В третьей главе рассмотрено построение модуля имитационного моделирования, позволяющего оценивать результаты работы алгоритмов расчета ТФХ, разработанных во второй главе. Имитационное моделирование заключается в численном решении прямой задачи теплопроводности и построении температурного поля по заданным ТФХ, размерам образца и параметрам нагрева. Затем накладывается искусственный шум и полученные температуры используются для расчета ТФХ по предложенным алгоритмам.

С помощью имитационного моделирования проведено сравнение погрешностей методов и алгоритмов расчета ТФХ. Показано, что ни один из предложенных алгоритмов не является универсальным, обеспечивающим определение ТФХ с минимальной погрешностью при всех возможных значениях входных параметров эксперимента, но каждый из них имеет свои особенности, границы применимости и оптимальной работы. Поэтому в зависимости от условий эксперимента необходимо выбирать наиболее приемлемый алгоритм расчета ТФХ.

По результатам проведенного анализа предложена методика построения МППР при выборе наилучшего алгоритма расчета ТФХ с минимальной методической погрешностью при заданных условиях эксперимента, схематично представленная на рис. 5. Методика основана на применении модифицированного метода анализа иерархий. Модель процесса поддержки принятия решения записывается теоретико-множественной формулой

МРРЯ = {2, А1, Кг, Кг, Бт, Бак, 1Ук, Кк), (4)

где 2 - цель применения МППР, заключающаяся в выборе алгоритма расчета ТФХ, обеспечивающего минимальную погрешность; А1 — альтернативы для достижения цели, которыми являются алгоритмы расчета ТФХ ПКМ; Кг — критерии выбора, которыми являются входные параметры эксперимента.

г)|;и||.Е Есрнлгин МшшШМЛМРДЫ.*

(ккчроешш МИН!' Ж'..КИШ1!УЯМ Л'ЕйШ.!ШШ1.Ш£ШШКВ

Рис. 5. Схема построения и функционирования МППР при выборе алгоритма расчета ТФХ полимерных композитов

В ходе построения МППР выбираются критерии Кг. На основании экспертных оценок формируется матрица парных сравнений критериев Кк, определяющая их важность относительно друг друга, по ней рассчитываются веса критериев \Ук. Затем на основе результатов имитационного моделирования строятся правила оценки альтернат™ по критериям:

ЕСЛИ кгх с1к\ь+,], Ик = 1...Х,, ТО е[м...е[м;

ЕСЛИ кг,к е , ], М = 1...Х„, ТО е\"м; (5)

ЕСЛИ е Ик = 1...'/ч,, ТО

где Кг ={кгц!}, /к = 1...ц — вектор значений критериев; ц — количество критериев; [с1к'ьк, <1кк11+1], кк = \... у,/., ¡к = 1... ц - диапазоны возможных значений

каждого критерия; Хл — количество диапазонов значений для критерия кг Ик = 1.. Хл , ¿к = 1--.Ц - значения погрешностей при расчете ТФХ

каждым из алгоритмов в различных диапазонах значений критериев.

В ходе применения МППР в зависимости от значений критериев кг на основании сформированных правил (5) строится матрица оценок альтернатив Бак по каждому из критериев. Затем строится вектор Бт общей оценки каждого алгоритма по всем критериям и выбирается алгоритм с минимальной общей оценкой.

Наличие в ИИС МППР дает возможность получения минимальных погрешностей расчета ТФХ пользователям, не имеющим специальных знаний о принципах работы методов и алгоритмов расчета и условиях их применения.

В четвертой главе представлена структура ИИС для определения ТФХ ПКМ, архитектура и состав обеспечивающих подсистем и модулей (рис. 6).

Рис. 6. Структура и взаимосвязи обеспечивающих подсистем ИИС

Техническое обеспечение (ТО) ИИС представлено совокупностью измерительной системы (ИС), автоматизированного рабочего места (АРМ) и сервера баз данных (БД) и изображено на рис. 7. АРМ ИИС - это персональный компьютер (ПК), подключенный к ИС с установленным на нем системным и прикладным программным обеспечением (ППО), позволяющим регистрировать и обрабатывать данные, полученные от ИС, осуществлять расчет ТФХ. Выделенный сервер БД обеспечивает надежное хранение экспериментальных и расчетных данных с возможностью коллективного сетевого использования накопленной информации.

Основную часть ТО ИИС составляет экспериментальное измерительное устройство (ИУ), создающее специальные условия нагрева и отверждения образцов ПКМ. ИУ — это микропресс, моделирующий однонаправленный, односторонний нагрев образца в адиабатических условиях при заданном технологическом давлении прессования, позволяющем проводить исследования в диапазоне температур 20.. .250 °С под давлением до 2 МПа.

В целях снижения влияния внешних воздействий, искажающих результаты эксперимента, произведена доработка и модернизация блока предварительного усиления сигналов термопар ИИС. Усилители постоянного тока У1...У10 были помещены в теплоизолированный термостат с установленным внутри нагревателем. Для поддержания постоянной температуры введен дополнительный аналоговый канал автоматического ПИ-регулятора САРТ.

Рис. 7. Структурная схема технического обеспечения ИИС:

АЦП - аналого-цифровой преобразователь; ИТ — измеритель толщины; МДВ - модуль дискретного вывода; МП - мультиплексор; САРТ — система автоматического регулирования температуры; СНУ — стабилизатор напряжения управляемый; У - усилитель постоянного тока; УМ - усилитель мощности; ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь;

1 — нижний охранный нагреватель;

2 — подложка нижнег о нагревателя;

3 - точки заделки термопар;

4 - боковой охранный нагреватель;

5 - исследуемый образец; б — основной нагреватель; 7 — подложка

верхнего нагревателя; 8 — верхний охранный нагреватель; 9 - термостат усилителей

Программное обеспечение ИИС состоит из системного и прикладного ПО. Основу ИИС составляет ШЮ (рис. 8), представленное пятью модулями, написанными в среде разработки Delphi:

1) модуль управления — обеспечивает ввод информации об эксперименте, управление экспериментом, сбор и сохранение экспериментальной и расчетной информации в базе данных;

2) модуль расчета ТФХ - производит расчет ТФХ ПКМ на основе исходных данных, полученных от модуля управления экспериментом;

3) модуль визуализации информации — обеспечивает графическое представление экспериментальных и расчетных данных;

4) модуль имитационного моделирования - позволяет проводить имитационные численные эксперименты;

5) Ml 11 IP при выборе наилучшего алгоритма расчета ТФХ - на основании данных об эксперименте осуществляет выбор алгоритма расчета ТФХ, обеспечивающего минимальную методическую погрешность.

нме для шческого

¡СТаВЛСПНН

Модуль шпуаппа нии информации

ДаННМе ДЛЯ

Графического npe.it )авюгм!51

Датиде для графического представления

')кепсрпме|па.аьныс данные

Бача данных

Экспериментальные данные

С « шроианшае

сЖСПСрИМСШаЛЫШС и расчетные данные

Зила ¡im.se 1

имакщиопкот жепернменга

Параметры эксперимента

Модуль поддержки

ПРПНП 1114

решений при

выборе наилучшею алгоритма расчета ТФХ

Параметры эксперимента

Экспериментальные лашгысаля расчета ТФХ

Раечнтаниые ТФХ

Огггимздышй алгоритм расчета ТФХ

Оценки алгоритмов

Параметры жеперимента

'Заданные и смоделированные данные для: расчета ТФХ

Расчитанныс ТФХ

Молудь расчета " ТФХ

Процедура расчета ТФХ как констант иди как функции

времени

I !роиедура расчета 11ФХ как функции времени но температурам поверхностей

оораша

Процедура расчета I ФХ как

фуикшш температуры на

основе и] ¡астрального пречор.ионаши; ОЭТ в виде интетро-функционального уравнения

Процедура расчета ТФХ. на основе фильтра Калмяна

Рис. 8. Структура прикладного программного обеспечения ИИС

С помощью ИИС проведено экспериментальное определение ТФХ различных типов полимеров и ПКМ, включая углепластики, стеклопластики и асборезиновые смеси в процессе нагрева и отверждения. В качестве примера, на рис. 9 представлены ТФХ одного из исследованных углепластиков (СРЛР).

Рис. 9. Результаты работы ИИС — графики температурной зависимости ТФХ углепластика на основе эпоксидного связующего

Проведена метрологическая оценка характеристик разработанной ИИС, в ходе которой установлено, что относительные погрешности определения теплоемкости и теплопроводности ПКМ составляют соответственно 5 и 6%.

В заключении приведены выводы по основным результатам диссертационного исследования.

Приложения содержат свидетельство о регистрации программы для ЭВМ и акты об использовании результатов исследования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Построена математическая модель, описывающая процесс нагрева и отверждения ПКМ, используемая для экспериментальной идентификации ее параметров и позволяющая создать алгоритмы расчета ТФХ ПКМ.

2. Разработан комплекс методов обработки экспериментальных данных и алгоритмов для расчета ТФХ, основанных на интегральном представлении решения ОЗТ и использовании фильтра Калмана для температурного распределения, позволяющих определять ТФХ с нелинейной температурной зависимостью в процессе нагрева и отверждения ПКМ.

3. Разработан комплекс программ для имитационного моделирования экспериментального определения ТФХ ПКМ и исследования методических погрешностей предложенных алгоритмов.

4. Получены результаты сравнительного анализа точности и возможности применения предложенных алгоритмов расчета ТФХ ПКМ на основе результатов имитационного моделирования. Показано, что каждый из алгоритмов расчета ТФХ имеет ограничения и особенности применения на множестве возможных условий проведения эксперимента.

5. Разработан МППР, основанный на модифицированном методе анализа иерархий, позволяющий выбирать алгоритм расчета ТФХ ПКМ с минимальной методической погрешностью в условиях проведения эксперимента.

6. Разработана ИИС для определения ТФХ ПКМ с соответствующим математическим, программным и техническим обеспечением, реализующая комплекс предложенных методов и алгоритмов расчета ТФХ ПКМ в условиях максимально приближенных к производственным.

7. Описан порядок функционирования ИИС для определения ТФХ ПКМ как самостоятельной системы, так и в рамках программно-технического комплекса оптимизации процесса отверждения ПКМ.

8. Проверена работоспособность ИИС, разработанных методов, алгоритмов и МППР путем экспериментального исследования и расчета ТФХ ПКМ, в том числе и в процессе отверждения. Выполнена метрологическая оценка ИИС, показывающая, что относительные погрешности определения с помощью ИИС объемной теплоемкости и теплопроводности полимеров и ПКМ составляют соответственно 5 и 6% с учетом рекомендаций МППР.

Таким образом, в ходе выполнения диссертационной работы решена научная задача разработки ИИС для определения ТФХ ПКМ, реализующей комплекс алгоритмов расчета ТФХ и обеспечивающей выбор алгоритма

с минимальной методической погрешностью для условий проведения конкретного эксперимента, применение которой повышает точность определения ТФХ ПКМ, в том числе в процессе отверждения.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

А, В — коэффициенты квадратурных формул; Al = {alJk} — вектор альтернатив; С — объемная теплоемкость, Дж/(м3-К); С' - величина обратная объемной теплоемкости, (м3-К)/Дж; Сно, Сот, СЭф — объемная теплоемкость неотвержден-

ного, отвержденного материала и эффективная, Дж/(м3-К); [ dkfk, dk'^+l ] -диапазоны возможных значений каждого ik критерия; epsc — погрешность сходимости расчета теплоемкости, Дж/(м3-К); epsk - погрешность сходимости расчета температуры, К; f0 — начальное температурное распределение, К; Кк ={kk,kjk) - матрица парных сравнений критериев; Кг = {кг]к} — вектор наименований критериев; Kz ={к:,к} — вектор значений критериев; L — толщина образца, м; т — количество дискретных точек времени; п — количество термопар; q0, qL - тепловые потоки на поверхностях образца, Вт/м2; Sak = {sak¡kjk} -матрица оценки альтернатив по каждому критерию; Sak = {sak,kjk} - матрица оценки альтернатив по каждому критерию; Sm ={snjjk} — вектор общей оценки

каждой из альтернатив по всем критериям; Т - температура, К; Т - оценка температуры, К; Тср , Т0, Т, - температура среднеинтегральная и на поверхностях образца, К; /— время, с; V— начальная скорость движения изотермической поверхности, м/с; W— мощность тепловыделений, Вт/м3; Wk = {wk¡k} - вектор весов критериев; х — пространственная координата по толщине образца, м; Z — цель применения МППР; р - степень отверждения; е — значения погрешностей при расчете ТФХ; X - теплопроводность, Вт/(м К); X' — величина обратная теплопроводности, (м-К)/Вт; Хт — теплопроводность неотвержденного и отвержденного материала, Вт/(м К); р - количество критериев; v - количество альтернатив; 9 — апостериорная дисперсия; Нк — индекс диапазона значений критерия; i - индекс дискретной пространственной координаты по толщине образца; ik — индекс альтернативы; it - номер итерации; j — индекс дискретного времени;_Д- индекс критерия.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК при Минобрнауки РФ:

1. Влияние типа наполнителя на оптимальные режимы отверждения толстостенных ПКМ / О. С. Дмитриев, А. А. Черепахина1, В. Н. Кириллов, А. В. Зуев // Клеи. Герметики. Технологии. - 2011. - № 11. - С. 27 - 36.

2. Дмитриев, О. С. Интеллектуальная информационно-измерительная система для определения теплофизических характеристик полимерных композитов /

С 08.09.2012 г. А. А. Черепахину считать А. А. Живенковой.

О. С. Дмитриев, А. А. Живенкова, А. О. Дмитриев // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2013. - Т. 19, № 1. - С. 73 - 83.

3. Живенкова, А. А. Алгоритмическое и программное обеспечение информационно-измерительной системы исследования теплофизических характеристик полимерных композитов в процессе отверждения / А. А. Живенкова, О. С. Дмитриев // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В. И. Вернадского. - 2014. — № 4(54). — С. 212-217.

Публикации в сборниках трудов вузов и материалах научных конференций:

4. Дмитриев, О. С. Алгоритм оптимального сглаживания температурных измерений при решении обратной задачи теплопроводности / О. С. Дмитриев, А. А. Черепа-хина // Фундаментальные и прикладные исследования, инновационные технологии, профессиональное образование : сб. тр. XII науч. конф. ТГТУ. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2007. - С. 158 - 160.

5. Черепахина, А. А. Применение сглаживающего кубического сплайна для аппроксимации температурных полей при решении обратной задачи теплопроводности / А. А. Черепахина // Заочные электронные конференции [Электронный ресурс]. - 2009. -Режим доступа: http://econf.rae.ni/article/4813.

6. Черепахина, А. А. Адаптивный фильтр температурных измерений теплофи-зического эксперимента. / А. А. Черепахина, О. С. Дмитриев, Г. В. Романенко // Тепло-физические исследования и измерения в энергосбережении, при контроле, управлении и улучшении качества продукции, процессов и услуг : материалы VII Междунар. теплофиз. шк. - Тамбов : Изд-во ГОУ ВПО ТГТУ, 2010. -Ч. II. - С. 104 - 108.

7. Черепахина, A.A. Анализ устойчивости алгоритмов решения обратных задач теплопроводности. / A.A. Черепахина // Теплофизические исследования и измерения в энергосбережении, при контроле, управлении и улучшении качества продукции, процессов и услуг : материалы VII Междунар. теплофиз. шк. - Тамбов : Изд-во ГОУ ВПО ТГТУ, 2010. - Ч. I. - С. 267 - 269.

8. Черепахнна, А. А. Технология определения теплофизических характеристик полимерных композитов, основанная на использовании математического аппарата ин-тегро-функциональных уравнений / А. А. Черепахина, О. С. Дмитриев // Современные твердофазные технологии: теория, практика и инновационный менеджмент : материалы III Междунар. науч.-инновац. молодеж. конф. - Тамбов: Изд-во ИП Чеснокова А. В., 2011.-С. 333-335.

9. Черепахнна, А. А. Информационно-измерительная система определения теплофизических свойств полимерных композитов с помощью метода интегральных характеристик / А. А. Черепахина, О. С. Дмитриев // Новые информационные технологии в научных исследованиях : материалы XVI Всерос. науч.-техн. конф. студентов, молодых ученых и специалистов. - Рязань : ООО «Полиграф», 2011. - С. 270-273.

10. Черепахина, А. А. Информационно-измерительная система исследования и контроля процесса отверждения полимерных композитов / А. А. Черепахина, О. С. Дмитриев, И. С. Касатонов // Актуальные проблемы нано- и микроэлектроники: тезисы докладов всерос. науч. шк. - Тамбов : Изд-во Першина Р.В., 2011. - С. 177 - 178.

11. Черепахина, А. А. Выбор метода определения теплофизических характеристик полимерных композитов в процессе отверждения / А. А. Черепахина, О. С. Дмитриев // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-25 : сб. тр. XXV Междунар. науч. конф. - Саратов : ГАУ СМИ СО «Саратов-Медиа», 2012. - Т. 6. - С. 130 - 133.

12. Живенкова, А. А. Интеллектуальная информационно-измерительная система для определения теплофизических характеристик полимерных композитов в процессе отверждения / А. А. Живенкова, О. С. Дмитриев, В. Н. Кириллов // Современные мето-

ды и средства исследования теплофизических свойств веществ : материалы II Между-нар. науч.-техн. конф. - СПб. : НИУ ИТМО; ИХиБТ, 2012. - С. 167-168.

13. Дмитриев, О. С. Повышение точности измерения температуры в информационно-измерительной системе исследования процесса отверждения полимерных композитов / О. С. Дмитриев, А. А. Черепахина, А. О. Дмитриев // Теплофизические исследования и измерения в энерго- и ресурсосбережении, при контроле и управлении качеством процессов, продукции и услуг : материалы VIII Междунар. теплофиз. шк. - Таджикистан, Душанбе, 2012. - С. 411-412.

14. Черепахина, A.A. Подсистема поддержки принятия решения по выбору оптимального метода расчета теплофизических характеристик в информационно-измерительной системе исследования процесса отверждения полимерных композитов / А. А. Черепахина, О. С. Дмитриев // Теплофизические исследования и измерения в энерго- и ресурсосбережении, при контроле и управлении качеством процессов, продукции и услуг : материалы VIII Междунар. теплофиз. шк. - Таджикистан, Душанбе, 2012. - С. 349-350.

15. Живенкова, А. А. Информационно-измерительная система исследования свойств и кинетики отверждения полимерных композитов / А. А. Живенкова, О. С. Дмитриев // Современные твердофазные технологии : материалы VI Междунар. науч.-инновац. молодеж. конф. — Тамбов : Изд-во ЮТ Чеснокова А. В., 2014. — С. 311—312.

16. Живенкова, А. А. Аспекты моделирования процесса принятия решения при выборе метода расчета теплофизических свойств в ИИС / А. А. Живенкова, О. С. Дмитриев // Математические методы в технике и технологиях — ММТТ-27 : сб. тр. XXVII Междунар. науч. конф. - Саратов : СГТУ имени Гагарина Ю. А., 2014. — Т. 4. - С. 169 - 172.

П.Дмитриев, О.С. Минимизация погрешности определения теплофизических характеристик путем выбора метода математической обработки опытных данных / О. С. Дмитриев, А. А. Живенкова, А. О. Дмитриев И Теплофизические исследования и измерения при контроле качества веществ, материалов и изделий : материалы IX Междунар. теплофиз. шк. — Таджикистан, Душанбе, 2014. - С. 637 - 639.

18. Живенкова, A.A. Алгоритмическое обеспечение интеллектуальной информационно-измерительной системы исследования свойств полимерных композитов в процессе отверждения / А. А. Живенкова, О. С. Дмитриев, А. О. Дмитриев // Теплофизические исследования и измерения при кошроле качества веществ, материалов и изделий: материалы IX Междунар. теплофиз. шк. — Таджикистан, Душанбе, 2014. -С. 394-396.

19. Живенкова, А. А. Интеллектуальная информационно-измерительная система для определения теплофизических характеристик полимерных композитов в процессе отверждения / А. А. Живенкова, О. С. Дмитриев, А. О. Дмитриев // Информатика: проблемы, методология, технологии : материалы XIV Междунар. науч.-методич. конф. — Воронеж : Издательский дом ВГУ, 2014. - Т. 3. — С.101-102.

20. Дмитриев, О. С. Исследование характеристик полимерных композитов в процессе отверждения для анализа и выбора оптимальных режимов производства толстостенных изделий из них / О. С. Дмитриев, А. А. Живенкова, А. О. Дмитриев // Труды Естественнонаучного и гуманитарного факультета ТГТУ : сб. науч. и науч.-метод. ст. — Тамбов : Изд-во Першина Р. В., 2014. - С. 52 — 64.

Свидетельства о регистрации программ для ЭВМ:

21. Свидетельство о государственной регистрации программы № 2013612607. Программа расчета теплофизических характеристик / А. А. Живенкова, О. С. Дмитриев. — М.: Федеральная служба по интеллектуальной собственности; 06.03.2013 г.

Подписано в печать 18.03.2015. Формат 60 х 84/16. 0,93 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 130

Издательско-политрафический центр ФГБОУ ВПО «ТГТУ» 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, к. 14 Тел./факс (4752) 63-81-08, 63-81-33. E-mail: izdatelstvo@admin.tstu.i