автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Система компьютерного моделирования для исследования и управления качеством высокотемпературных керамических материалов

КОРНИЕНКО Иван Григорьевич

На правах рукописи

ъЛ^'у^)

СИСТЕМА КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность: 05.13.18 - математическое моделирование, численные » методы и комплексы программ

- Т :

' *

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2014

4 2014

005556420

На правах рукописи

ъА^-у^ч)

КОРНИЕНКО Иван Григорьевич

СИСТЕМА КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность: 05.13.18 - математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2014

Работа выполнена на кафедре систем автоматизированного проектирования и управления федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)»

Научный руковптштеттъ- Чистякова Тамара Балабековна

доктор технических наук, профессор, проректор по инновациям, заведующая кафедрой систем автоматизированного проектирования и управления федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)»

Официальные оппоненты Зиятдинов Надир Низамович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой системотехники федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

Аммон Людвиг Юрьевич

кандидат технических наук, заместитель генерального директора ООО «ТехКомплект»

Ведущая органи-штия- ОАО «Центральный научно-исследовательский институт материалов» (г. Санкт-Петербург)

Защита состоится 25 декабря 2014 г. в_На заседании совета по защите

диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.230.03 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)» по адресу: 190013, Санкт-Петербург, Московский пр, 26

™4^ССерТаЦИеЙ М0ЖН° ознакомиться в фундаментальной библиотеке

Т , ^ , СаЙТе организации по следующей ссылке

nttp.//tecnnolog.edu.ru/гu/docшnents/category/78-2014.html.

Замечания и отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять на имя ученого секретаря по адресу: 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., ¿6, Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет). Справки по тел.: (812) 494-93-75; факс: (812) 712-77-91- е-тэй: dissowet@technolog.edu.ru

Автореферат разослан «_»_ 2014 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.230.03

доктор технических наук, профессор /1 / В.И.Халимон

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Индустрия инженерной керамики представлена более чем 300 международными компаниями, общий оборот которых превышает 5 млрд. долларов США в год, а среднегодовые темпы роста составляют около 3%. Сложность управления и перенастройки международных производств высокотемпературной керамики на новые типы материалов обусловлена многоассортиментным и уникальным характером продукции, жесткими требованиями, предъявляемыми к качеству (плотности, твердости и др.) продукции, сложностью соблюдения требований стандартов качества различных стран, зависимостью показателей качества от множества технологических параметров, сложностью физико-химических процессов, протекающих на стадиях производства, высокой стоимостью брака продукции из-за больших энергетических затрат на производство.

Это обусловливает высокие требования к управлению качеством производимой продукции, поэтому аюуальна разработка системы компьютерного моделирования для исследования и управления качеством высокотемпературных керамических материалов. Система должна настраиваться на различные типы выпускаемой продукции, в том числе наноструктурированной, типы оборудования и требования к качеству, позволять исследовать процесс получения керамических материалов, управлять их качеством и проводить дистанционное обучение управлению процессом синтеза для повышения квалификации персонала.

Степень проработанности темы. Вопросам разработки математических моделей для исследования процесса синтеза высокотемпературной керамики посвящены работы Я.И. Френкеля, Б .Я. Пинеса, Г.И. Кучинского, В.Д. Кингери, М.М. Ристича, Г.Х. Икэгами. Р.Л. Кобла, Д.П. Джонсона, В.В. Скорохода, М. Хермана и др. Однако единой системы компьютерного моделирования для исследования процесса производства керамики, управления качеством продукции, в том числе и наноструктурированной, позволяющей решать задачи перенастройки с одного типа выпускаемой продукции на другой и проводить дистанционное обучение управлению процессом производства высокотемпературной керамики, не существует.

Обзор моделей вышеперечисленных авторов позволил сформировать структуру модели и ее допущения, выделить ключевые стадии твердофазного и жидкофазного спекания, объединить в единую систему уравнения этих стадий и решить задачу создания системы для исследования и управления качеством высокотемпературных керамических материалов.

Работа выполнена в рамках прикладных НИР «Информационные технологии для автоматизированного проектирования, обработки информации и управления качеством химической продукции промышленных производств наноматериалов», «Разработка программы повышения квалификации специалистов предприятий наноиндустрии химического и биотехнологического профиля в области автоматизированных производственных нанотехнологий» (по заданию Фонда инфраструктурных и образовательных программ группы «Роснано», «Разработка модуля программы повышения квалификации специалистов в области автоматизированной обработки информации и

управления производством наноструетурированных керамических материалов и покрытий (в режиме е-1еагшпё)» (по заданию Национального фонда подготовки кадров, 2012 г.), «Разработка программы профессиональной подготовки (уровень - магистратура) в области материаловедения и высокотемпературных наноструетурированных конструкционных материалов и изделий» (по заданию Г:ДаоЛ™ФраС?™НЬ1Х И образовательных программ группы «Роснано», ¿011-2014 гг.) при поддержке инновационной компании индустрии нанокерамики - ООО «Вириал» (Санкт-Петербург).

Целью работы является создание системы компьютерного моделирования, позволяющей исследовать процесс синтеза высокотемпературных керамических материалов и управлять качеством продукции, в том числе наноструетурированной, перенастраивать систему с одного типа материала на другой с помощью библиотеки математических моделей синтеза высокотемпературной керамики, и проводить дистанционное обучение управлению процессом производства высокотемпературной керамики что способствует обеспечению требуемого качества продукции и уменьшений количества брака вследствие повышения квалификации персонала.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Выполнен анализ производств высокотемпературной керамики как объектов исследования и управления качеством продукции, что позволило составить формализованное описание процесса синтеза этих материалов сформировать требования к системе.

2. Создана функциональная структура системы компьютерного моделирования для исследования и управления качеством высокотемпературных керамических материалов. Разработанная структура позволяет решать задачи исследования процесса синтеза керамических материалов, в том числе наноструетурированных, управления их качеством, настройки системы на тип выпускаемой продукции, оборудования и требования к качеству, а также проводить дистанционное обучение управлению процессом выпуска продукции.

3. Создана математическая модель процесса синтеза высокотемпературной керамики, в том числе наноструетурированной охватывающая различные типы материалов и характеристики оборудования' описывающая механизмы твердофазного и жидкофазного спекания и позволяющая рассчитывать показатели качества продукции и характеристики процесса синтеза.

4. Сформирована библиотека эмпирических зависимостей показателей качества высокотемпературных керамических материалов от режимных параметров процесса их синтеза.

5. Разработан программный комплекс для исследования и управления качеством высокотемпературных керамических материалов, включающий интерфейсы исследователя, управленческого персонала и администратора перенастраиваемый на различные типы продукции и позволяющий исследовать процесс производства высокотемпературной керамики, в том числе наноструетурированной, управлять качеством продукции, а также проводить дистанционное обучение управлению синтезом таких материалов.

6. Осуществлено тестирование и внедрение в производство высокотемпературной керамики системы компьютерного моделирования для

исследования и управления качеством высокотемпературных керамических материалов.

Объектом исследования являются процесс синтеза высокотемпературных керамических материалов, в том числе наноструктурированных.

Предмет исследования - система компьютерного моделирования и математические модели для исследования процесса синтеза высокотемпературных керамических материалов и управления показателями их качества.

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы использовались методы математического моделирования, обработки экспериментальных данных, методы и технологии проектирования программных комплексов с удаленным доступом, а также средства проектирования баз данных, методы объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна.

1. Разработана функциональная структура системы компьютерного моделирования для исследования и управления качеством высокотемпературных керамических материалов, отличающаяся перенастраиваемостью на различные типы материалов и оборудования, что позволило реализовать исследование процесса синтеза и управление качеством высокотемпературной керамики, в том числе наноструктурированной, а также удалённое обучение управлению процессом синтеза [1-3].

2. Создана математическая модель синтеза высокотемпературной керамики, отличающаяся учетом основных закономерностей твердофазного и жидкофазного спекания, что позволяет моделировать производство широкого спектра различных материалов [5,8].

3. Построена библиотека эмпирических зависимостей показателей качества продукции от режимных параметров процесса синтеза высокотемпературной керамики, отличающаяся широким охватом различных типов материалов, что позволяет перенастраивать систему компьютерного моделирования с одного типа продукции на другой [6,7].

4. Разработана система компьютерного моделирования для исследования и управления качеством высокотемпературной керамики, отличающийся комплексным подходом к моделированию производств высокотемпературной керамики, что позволило использовать ее для исследования и управления качеством различных видов материалов, в том числе наноструктурированных, а также проводить удалённое обучение [9,10].

Практическая значимость работы. Основные результаты диссертационного исследования, имеющие практическую значимость, заключаются в следующем:

1. Разработана система компьютерного моделирования для исследования и управления качеством высокотемпературных керамических материалов, позволяющая моделировать процессы синтеза различных материалов, управлять их качеством, а также проводить удалённое обучение управлению процессом производства высокотемпературной керамики.

2. Проведено тестирование и внедрение системы компьютерного моделирования для исследования и управления качеством высокотемпературных керамических материалов на предприятие керамической промышленности -

ООО «Вириал», что позволило снизить количество брака вследствие повышения квалификации персонала.

3. Осуществлено внедрение системы компьютерного моделирования для исследования и управления качеством высокотемпературных керамических материалов в учебный процесс кафедры химической технологии тугоплавких неметаллических и силикатных материалов СПбГТИ(ТУ), что позволило использовать современные компьютерные технологии при подготовке студентов по направлению «Материаловедение и технологии материалов».

Соответствие паспорту специальности. Указанная область исследования соответствует паспорту специальности 0513 18 «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», а именно: пункту 4 - «Реализация эффективных численных методов и алгоритмов в виде комплексов проблемно-ориентированных программ для проведения вычислительного эксперимента»; пункту 5 - «Комплексные исследования научных и технических проблем с применением современной технологии математического моделирования и вычислительного эксперимента»; пунету 8 -«Разработка систем компьютерного и имитационного моделирования».

Достоверность и обоснованность. Достоверность и обоснованность диссертационного исследования определяется корректным применением методов математического моделирования, обработки экспериментальных данных, а также сравнением результатов, полученных на основе разработанных алгоритмов и программ, с экспериментальными данными.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научных конференциях, посвященных 184-й и 185-й годовщинам основания СПбГТИ(ТУ) (2012, 2013), конференции молодых ученых СПбГТИ(ТУ) «Неделя науки - 2013», международных научных конференциях ММТТ-26 (Саратов, 2013) и ММТТ-27 (Тамбов 2014) конференции «Неделя науки -2014». С данной тематикой стал финалистом конкурса по программе "Участник молодежного научно-инновационного конкурса" ('УМНИК") фоцца содействия развигаю малых форм предприятий в научно-технической сфере (Санкт-Петербург, 2013г).

Положения, выносимые на защиту:

1. Функциональная структура системы компьютерного моделирования для исследования и управления качеством высокотемпературных кераических материалов [1-3].

2. Математическая модель процесса синтеза высокотемпературных керамических материалов [5,8].

3. Библиотека эмпирических зависимостей показателей качества продукции от режимных параметров процесса синтеза высокотемпературных керамических материалов [6,7].

4. Система компьютерного моделирования для исследования и управления качеством высокотемпературных керамических материалов, позволяющая исследовать процесс синтеза этих материалов, управлять их качеством и проводить удалённое обучение управлению процессом выпуска высокотемпературной керамики [9,10].

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 12 работ, в том числе 3 статьи опубликованы в журналах из перечня рецензируемых научных журналов и изданий.

Лично автором проведены следующие этапы научного исследования:

1. Спроектирована архитектура системы компьютерного моделирования для исследования и управления качеством высокотемпературной керамики.

2. Предложена математическая модель процесса синтеза высокотемпературных керамических материалов.

3. Создана библиотека эмпирических зависимостей показателей качества продукции от режимных параметров процесса синтеза высокотемпературных керамических материалов.

4. Разработана система компьютерного моделирования для исследования и управления качеством высокотемпературных керамических материалов, которая позволяет исследовать процесс синтеза этих материалов, проводить удалённое обучение управлению производством высокотемпературной продукции и управлять качеством высокотемпературных керамических материалов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованной литературы и приложения. Основная часть диссертации изложена на 137 страницах, содержит 27 рисунков, 15 таблиц, библиографический список включает 128 наименований. В приложении содержатся копии актов использования результатов диссертационного исследования и фрагменты исходного кода.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, сформулирована научная новизна и практическая ценность результатов, полученных при решении поставленных задач, дано краткое содержание работы.

В первой главе дана общая характеристика процесса синтеза высокотемпературной керамики.

Выполнен анализ производств высокотемпературных керамических материалов, который позволил установить основные закономерности процесса и обосновать структуру системы компьютерного моделирования.

Анализ математических моделей процессов производства высокотемпературной керамики позволил обосновать структуру математической модели их синтеза, настраиваемой на различные типы материалов.

Во второй главе представлено формализованное описание процесса синтеза высокотемпературной керамики как объекта исследования и управления качеством, сформулированы задачи исследования и управления качеством, представлена функциональная структура системы компьютерного моделирования и приведена характеристика информационного обеспечения.

На основе анализа процесса синтеза высокотемпературной керамики как объекта исследования и управления качеством разработано формализованное описание, представленное на рисунке 1, учитывающее двухстадийность процесса, типы сырьевых материалов и типы оборудования, управляющие воздействия и возмущения, влияющие на качество конечной продукции.

={/,<?} ^ ={ТАРЛ

и,= {Т^]=\...п,х}) Х2={Крй, 5, Ро.Ло, о} С/2={Ге,те)Рг} Рисунок 1 - Процесс синтеза высокотемпературных керамических материалов как объект исследования и управления качеством

На рисунке 1 использованы следующие обозначения: Хь /^ и,, У,- - векторы входных параметров, возмущений, управляющих воздействий и выходных параметров г'-й стадии процесса (г = 1, 2); Г0 - начальная температура, °С; П0 - начальная пористость, %; £0 - начальный средний размер зерна, м; 5 - толщина поверхностного слоя зерна, м; р0 - плотность компактного материала, кг/м3; а - удельная поверхностная энергия, Дж/м2; Лр0 - начальный средний радиус поры, м; 7-, у = 1...« - температура в конце ;'-го этапа твердофазного спекания, °С; п - количество этапов с различной скоростью изменения температуры на стадии твердофазного спекания; у - длительность У-го этапа твердофазного спекания, с; Те - температура изотермической выдержки на стадии жидкофазного спекания, °С; те - длительность изотермической выдержки на стадии жидкофазного спекания, с; Р% - давление инертного газа вокруг материала, Па;/ - примеси в прессовке, %; <3 - градиент температуры материала при нагреве, °С/м; Тл - перепады напряжения в электрической сети, В; Рл - примеси в инертном газе, %; П; - остаточная пористость на г-й стадии процесса синтеза, %; Ц - средний размер зерна на г'-й стадии процесса, м; р0 - плотность материала на г'-й стадии процесса, кг/м3; Ух - степень объёмной усадки на г'-й стадии процесса, %; Щ - скорость объёмной усадки на г'-й стадии процесса, %/с.

Предложенное формализованное описание процесса синтеза высокотемпературной керамики позволило сформулировать следующую задачу разработки системы компьютерного моделирования для исследования и управления качеством высокотемпературных керамических материалов:

разработать систему компьютерного моделирования для процесса синтеза высокотемпературной керамики, настраиваемую на различные типы материалов,

в том числе наноструктурированных, различное оборудование и режимы процесса. Система должна позволять исследовать процесс получения высокотемпературной керамики, находить значения управляющих воздействий процесса синтеза, обеспечивающие заданное качество продукции, и проводить дистанционное обучение управлению процессом выпуска высокотемпературных материалов.

Для исследования процесса синтеза высокотемпературной керамики и управления качеством продукции разработана математическая модель, которая:

включает модель стадии твердофазного спекания У] = Р\(Х\, К\, 11\) и модель стадии жидкофазного спекания У2 = Р2(Х2, К2, С/2, ГО;

позволяет рассчитать характеристики процесса синтеза Я = {Ур, Шр}\ позволяет рассчитать показатели качества высокотемпературных керамических материалов Q = {П^, Ьр, рр},

где Пр, Ьр, рр, Ур, Жр - остаточная пористость (%), средний размер зерна (м), плотность спеченного материала (кг/м3), объёмная усадка (%) и скорость объёмной усадки синтезируемого материала (%/с).

Управление качеством продукции заключается в выборе таких значений управляющих воздействий С/™" < и< С/;шах, /=1,2, III = {Т^у = 1 ...п, Т]}, = {Те, те, Рг}, которые обеспечивают заданные регламентом значения показателей качества высокотемпературной керамики

Пр<ИГ,Ьр<Ьр™\рр>РГ и характеристики процесса синтеза

V™ь <7Р< V™*, Шрт[п <№р< РГртах

для заданного типа материала, определяющего входные параметры Хь где Пртах, Ьртах, ррт[п - предельная остаточная пористость, средний размер зерна и плотность сплава; К/™, Урт°* - пороговые значения объёмной усадки; Жрт'п, Wртах - пороговые значения скорости усадки синтезируемого материала; [/¡т1П, и,"" - регламентные пороговые значения управляющих воздействий на стадиях процесса синтеза высокотемпературной керамики, зависящие от типа оборудования и типа материала.

Чтобы решить задачу настройки системы компьютерного моделирования на разные типы выпускаемой продукции, оборудования и режимы проведения процесса разработано информационное обеспечение, включающее базы данных материалов, оборудования и технологических режимов процесса синтеза высокотемпературной керамики.

Для реализации дистанционного обучения разработана база знаний, включающая описание нештатных ситуаций, связанных с браком продукции, возможные причины его возникновения и рекомендации по устранению.

Функциональная структура разработанной компьютерной системы моделирования, представленная на рисунке 2, включает подсистему математического моделирования, информационную подсистему, интерфейсы инструктора, управленческого производственного персонала и администратора [1].

Позсястеэш формирования протоколов исследования и управлевия качеством пводчоши

^____1Х-9-1____

Подсистема моделирования

Библиотека эмпирических ММ для опенки качества керамики

М

м

к

Библиотека коэффициентов ММ процесса синтеза

Модуль расчета показателей качества по эмпирическим мотелем

Модуль синтеза эмпирических зависимостей показателей качества от режимных параметров

Модуль расчета характеристик процесса синтеза

Подсистема обучения управлению качеством высокотемпературной

Модуль погружения в виртуальное пространство аеха

Х,в | А О

Информационная подсистема

_____I1

1< I

I' 1<

I»

I

БЗ нештатных

сктуаций

БД

характеристик оборудования

БД свойств материалов

БД

технологических режимов

х,<?

П

ТГ*"«

<г,и | | х,А,е

Интерфейс управленческого производственного персонала

Интерфейс исследователя

Интерфейс администратора

I

Управленческий производственный персонал

х,<г,к

Администратор

|Х, А, 0, М

Исследователь

(С^-ч^у

Рисунок 2 - Функциональная структура компьютерной системы моделирования для исследования и управления качеством высокотемпературной керамики На рисунке использованы следующие обозначения: А - характеристики оборудования, © - знания о возможных нештатных ситуациях, связанных с качеством продукции, возможных причинах их возникновения и способах устранения, М - эмпирические зависимости показателей качества от режимных параметров процесса, К - коэффициенты математической модели синтеза высокотемпературных керамических материалов.

В третьей главе разработана математическая модель процесса синтеза высокотемпературной керамики для определения показателей качества производимой продукции, представлен алгоритм синтеза эмпирических моделей по имеющимся экспериментальным данным.

При построении математической модели процесса синтеза керамики на основании анализа объекта исследования и управления качеством и

литературного анализа математических моделей приняты следующие допущения о структуре пористого материала, механизмах уплотнения и роста зерен [5,7]:

1) зерна материала - монокристаллические, поэтому структурным параметром материала является средний размер зерна (L);

2) уплотнение (V) пористого материала на стадии спекания в вакууме осуществляется по механизму диффузионно-вязкого течения, сопровождающегося термически активируемым (£ь) проскальзыванием вдоль границ зерен, когда объем пор (П) уменьшается из-за поглощения пустоты стоками вакансий, роль которых выполняют межзеренные границы;

3) уплотнение (р) на стадии спекания под давлением (в условиях всестороннего сжатия) осуществляется по механизму вязкого течения (%, т|);

4) при реологическом описании пористой структуры (%, т|) используется матричная модель пористого тела по Макензи, в соответствии с которой фаза пустоты локализована в ансамбле невзаимодействующих равновеликих шарообразных пор, отстоящих так, что пористый материал может быть представлен состоящим из одинаковых элементов, каждый из которых включает пору, окруженную слоем несжимаемого вещества;

5) рост зерен материала происходит за счёт термически активируемой диффузионной коалесценции дисперсных частиц, которая заключается в перераспределении вещества поверхности мелких частиц по поверхности более крупных под действием поверхностной самодиффузии (диффузии, локализованной в поверхностном слое толщиной в один атомный диаметр 5);

6) температура (7],у=1...л, Те) не изменяется по объему печного пространства, так как по данным производства градиент температуры по объему печи не превышает ± 3,5 °С при температурном диапазоне спекания 800-1600 °С;

7) температуры материала и внутрипечного пространства равны.

Основой для разработки математической модели были выбраны подходы, изложенные Рагулей A.B., Скороходом В.В. и Гегузиным Я.Е. Сочетание подходов этих авторов позволило создать модель, отражающую физико-химические процессы, протекающие на каждом из этапов синтеза.

Система уравнений математического описания стадии твердофазного спекания включает:

уравнение кинетики уплотнения материала на j-м температурном этапе

где Dtj - коэффициент зернограничной диффузии,

м2/с;

к - постоянная Больцмана, Дж/К; Tij - температура на стадии твердофазного спекания, °С; уравнение кинетики роста зерен материала

d^j 8-R-DSJ ■ S

1+ . 4^+273)

tJA<tZtj,

dt ц; -к-Е,

где Я - универсальная газовая постоянна, Дж/(моль-К); Э, - коэффициент поверхностной самодиффузии, м2/с; Е, - энергия активации процесса поверхностной самодиффузии, Дж/моль;

уравнение роста температуры

где лузу - скорость нагрева на]-м этапе твердофазного спекания, °С/с.

Коэффициенты зернограничной и поверхностной диффузии определяются в зависимости от температуры по уравнениям:

где Бьо, До - предэкспоненциальные множители для коэффициентов диффузии, м2/с; Еь - энергии активации процессов зернограничной диффузии, Дж/моль; начальные условия

П.и = По. Ч-о = 1о> Г>Ц = то условия сопряжения температурных этапов во времени

=Пи-1' = А,;-1> =^-,,7 = 2...«

Система уравнений для математического описания стадии жидкофазного спекания под давлением:

уравнение кинетики уплотнения материала

где Рс - капиллярное давление, Па; % - объемная вязкость материала, Па-с; реологическая модель пористого материала

х=400.л-(1-0,01.Пг)|Т1^Л1_00ЬП2)5/з

где г) - сдвиговая вязкости материала, Па-с;

уравнение кинетики роста зерен материала

Л ~ 123 -к-{Гс +273)' +Г*

Капиллярное давление Рс, приложенное к поверхности поры, и текущий радиус поры Яр определяются по уравнениям

Рс = 0,02-П2 -сг/Я ,

П1(г„)-(1-0,01.П2)/ ' начальные условия

П2Ц=П,Ц, ¿2Ц=^>Ц» Г2Ц=Г,Ц

Плотность материала на стадиях процесса рассчитывается в зависимости от его текущей пористости по уравнению

р, = (1-0,01-П,)-р0, / = 1,2 Усадка и ее скорость на стадиях рассчитываются по уравнениям:

V, = (Г, )/Г0; ^ = ОУ,/сИ, / = 1,2 Р,

где У0 - объём прессовки, м3; ш - масса прессовки, кг.

Математическая модель процесса синтеза высокотемпературных керамических материалов позволяет найти для заданных из характеристик керамического материала^- и коэффициентов модели К1 показатели качества О, в зависимости от управляющих воздействий С/,.

Для решения уравнений кинетики уплотнения материала и роста его зерен на стадиях синтеза используется метод Рунге-Кутты четвертого порядка. Алгоритм решения математической модели представлен на рисунке 3.

Аг - шаг расчёта, я - текущее число делений шага пополам, <3тах - максимальное число делений шага пополам, - предельно допустимая погрешность Рисунок 3 - Алгоритм решения системы уравнений математической модели Для проверки модели проведены эксперименты с материалами «карбид вольфрама - кобальт» (ЭД'С-Со) - р0 = 14600 кг/м3, £60 = 270 кДж/моль, Ел = 245 кДж/моль - и «карбид вольфрама - никель» (\VC-Ni) - ро = 14700 кг/м , Еьо = 280 кДж/моль, Е5о = 253 кДж/моль. Нагрев от Т0 = 20°С до Т1 = 700°С проводился в течение т, = 12 мин, от Т! = 700°С до Т2 = 1400°С за т2= 48 мин. Выдержка под давлением Р8 = 6 МПа при температуре Те = 1400°С

проводилась в течение хе= 20 мин. На рисунке 4 показано сравнение результатов решения модели с данными эксперимента.

Оценка адекватности, выполненная путём сравнения объёмной усадки и скорости объёмной усадки, рассчитанных по модели и измеренных с использованием дилатометра DIL 402 Е/7, показала, что среднеквадратическое

относительное отклонение не превышает 6%. Это подтверждает адекватность модели реальному объекту.

Для расчета показателей качества в программный комплекс интегрирована библиотека эмпирических зависимостей. На рисунке 5 приведена графическая зависимость твёрдости материала «карбид вольфрама - кобальт» от температуры выдержки Те и давления Ря.

Для проверки адекватности регрессионной модели использован критерий Фишера. Рассчитанное значение критерия составляет Я*104 = 5,96. Табличное значение критерия Фишера ^га6л= 1,55.

тт-табл

Так как следовательно, регрессионная модель с доверительной вероятностью 95% адекватно описывает реальный объект Рисунок 5 - Зависимость твёрдости WC-Co от температуры и давления Четвертая глава посвящена разработке, описанию принципа действия и тестированию системы компьютерного моделирования для исследования и управления качеством высокотемпературной керамики.

Система компьютерного моделирования для исследования и управления качеством высокотемпературной керамики разработана на языках С# и JavaScript в среде объектно-ориентированного программирования MS Visual ~012 с использованием СУБД MS SQL Server 2012, веб-технологии Abr.NET MVC 4, библиотек jQuery и Angular JS, с помощью которых реализовано дистанционное обучение управлению качеством продукции Система предназначена для исследования и управления качеством высокотемпературной керамики, в том числе наноструктурированной и дистанционного обучения управлению производством.

Положительный эффект от внедрения системы на ООО «Вириал» достигается за счет обеспечения требуемого качества продукции, уменьшения брака, экономии дорогостоящего сырья вследствие повышения квалификации персонала, уменьшения затрат на проведение натурных экспериментов с новыми типами материалов вследствие возможности компьютерного исследования зависимости показателей качества от свойств материала и режимных параметров процесса по математическим моделям.

ВЫВОДЫ

1. На основании анализа характеристик процесса производства высокотемпературной керамики, математических моделей, используемых для моделирования процесса, и существующих систем управления качеством изделии сформулированы требования к разрабатываемой системе компьютерного моделирования для исследования и управления качеством высокотемпературных керамических материалов.

2. Разработана функциональная структура системы компьютерного моделирования для исследования и управления качеством высокотемпературных

керамических материалов, включающая подсистему моделирования, информационную подсистему и интерфейсы исследователя, управленческого персонала и администратора.

3. Создана математическая модель процесса синтеза высокотемпературной керамики, отражающая закономерности твердофазного и жидкофазного спекания, позволяющая рассчитывать показатели качества продукции для различных типов материалов, в том числе и наноструктурированных, и характеристик оборудования.

4. Сформирована библиотека эмпирических зависимостей показателей качества высокотемпературных керамических материалов от основных режимных параметров процесса, таких как температура, время спекания, давление в печи и др.

5. Разработана система компьютерного моделирования для исследования и управления качеством высокотемпературных керамических материалов, включающая подсистему моделирования, информационную подсистему и интерфейсы исследователя, управленческого персонала и администратора.

6. Выполнено тестирование системы компьютерного моделирования для исследования и управления качеством высокотемпературных керамических материалов и внедрение на предприятие керамической промышленности ООО «Вириал», что позволило уменьшить количество брака, достичь экономии дорогостоящего сырья вследствие повышения квалификации персонала; уменьшить затраты на проведение натурных экспериментов с новыми типами материалов вследствие возможности компьютерного исследования зависимости показателей качества от свойств материала и режимных параметров процесса синтеза по математическим моделям.

7. Выполнено внедрение системы компьютерного моделирования для исследования и управления качеством высокотемпературных керамических материалов в учебный процесс кафедры химической технологии тугоплавких неметаллических и силикатных материалов СПбГТИ(ТУ), что позволило использовать современные компьютерные технологии при подготовке студентов по направлению «Материаловедение и технологии материалов».

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в журналах, включенных в перечень ВАК РФ

1. Чистякова, Т£. Программный комплекс для исследования процессов получения твердых сплавов / Т. Б. Чистякова, ИГ. Корниенко, С.С. Орданьян, ДС. Рыбин, АН Полосин // Вестник Астраханскою государственного технического университета. Серия: управление, вычислительная техника и информашка. -2014. № 4.

2. Чистякова, ТБ. Система злеюронного обучения управлению процессами получения твердых сплавов / ТБ. Чистякова, ИГ. Корниенко, ИВ. Новожилова // Известия МПУ «МАМИ». -2014.

3. Корниенко, ИГ. Система компьютерного моделирования для исследования и управления качеством высокотемпературных керамических материалов / ИГ. Корниенко, ТБ. Чистякова, АЛ Полосин // Извести СПбГЩТУ). - 2014. № 26.

Публикации в других изданиях

4. Чистякова ТБ, Корниенко ИГ., Полосин АЛ, Бородрин АС. Программный комплекс для обучения управлению процессами производства твёрдых ставов (программа для ЭВМ). Заявка на свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014660450. В Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.

Тезисы докладов на конференциях

5. Чистякова, ТБ. Программный комплекс для имитационного моделирования процессов спекания в высокспехюлошчных керамических производствах / ТБ. Чистякова, ИГ Корниенко, АЛ. Полосин, С.С. Орданьян, ВН. Фищев // Научная конференция посвяшенна^ 184-й годовщине офазования СПбГЩТУ) : сб. тр. науч. конф. noca 184-й годовщине обр СПбГЩТУ), 29-30 ноября 2012 г. - СПб: СПбГЩТУ), 2012. - С. 149-150.

6. Корниенко, ИГ. Математическая модель для исследования усадки керамических мапргалс® при диффузионном спекании/ИГ. Корниенко, ТБ. Чистякова, АН Полосин, С.С.

<Нед^науки-2013»ШбПИ(ТУ),2-4апр.2013 г.-СПб.: СПбГЩТУ), 2013.-С. 166-167.

7. Корниенко, ИГ. Программный комплекс для электронного обучения убавлению процессом получения таддах сплаюв / ИГ. Корниенко, ТБ. Чистякова // Участники школы молодых ученых и программы УМНИК: сб. тр. XXVI Мевдукр. науч. конф, 24-26 ателя 2013г.В2ч. Ч. 1.-Сгрпов:СГГУим.ГашринаЮА,2013.-С.236-238.

8. Корниенко, ИГ. Симушгтор для алеюронного обучения убавлению тоцессом получения твердых сплаюв / ИГ. Корниенко, ТБ. Чистякова, АН Полосин, С.С. Орданьян, ВЦ Румянцев/Методология и организация инновационной деятельности в сфере высоких твхншогийгсб. тр. междунар. гауч-пракг. школы для молодежи, 13-15 мая 2013 г - СПб • Изп-юСПбГПУ,2013.-С. 73-82. "

9. Корниенко ИГ. Программный комплекс и математическая модель для элеироннош обучения управлению гроцессом производства твердых сплавов / ИГ. Корниенко ТБ Чистякова, АН Полосин, ВН Фшцев, В И 1^мянцгв // Научная конференция посвященная 185-йгодовщине образования СПбГЩТУ) : сб. тр. науч. конф. поев. 185-й годовщине обр СПбЛЩТУ), 27 ноября 2013 г. - СПб: СПбГЩТУ), 2013. - С. 396-397.

10. Корниенко, ИГ. Структура системы электронного обучения угршлению грщессами получения твердых сплаюв / ИГ. Корниенко, ТБ. Чистякова, АН Полосин, ВН Фищев, ИВ. Новожилова, A.C. Степанова// Сборник тезисов научно-технической конференции молодых ученых «Неделя науки-2014» СПбГЩТУ), 31 мара-1 атю. 2014 г.-СПб • СПбГТШУ) 2014.-С. 173-174. J>

11. Бородулин АС. Метода и технологии синтеза виртуальных моделей для обучения убавлению печами в производстве высокотемпературных материалов / АС. Бсродулин, ИГ. Корниенко // Сборник тезисов научно-технической конференции молодых ученых «Неделя науки-2014» СПбГЩТУ), 31 марта—1 апр. 2014г.—СПб. : СПбГЩТУ), 2014.-С. 161-162 12 Автоматизированные системы обработки информации и управления качеством нанопродукции : учеб. пособие / ТБ. Чистякова, ИГ. Корниенко, АН Полосин, ИВ

Новожилова, ЮВ. С^ельникоа-Шб.: Изд-ю ШбПИСГУ), 2013. - 87 а

Отпечатано с оригинал-макета. Формат 60x90'/i6 Печ.л. 1,0 . Тираж экз. 100. Зак. №17-5'-

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт ___(технический университет)»

190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26 Типография издательства СПбГЩТУ), тел. 4949365, e-mail: publ@technolog.edu.r