Содержание к диссертации
Введение
1. Исследование и оценка возможности усовершенствования процессов конструирования, производства и испытаний волоконно-оптических кабелей 13
1.1 Обеспечение передаточных характеристик и эксплуатационных параметров волоконно-оптических кабелей в процессе конструирования 13
1.2 Подбор материалов для элементов конструкции волоконно-оптических кабелей с учётом их свойств, параметров взаимодействия и способов переработки 26
1.3 Анализ технологических процессов производства волоконно-оптических кабелей 37
1.4 Информационное обеспечение производства волоконно- оптических кабелей 46
2. Анализ современного программного обеспечения для проектирования и автоматизации производственных процессов 54
2.1 Универсальные пакеты геометрического проектирования 54
2.2 Универсальные пакеты компьютерного инженерного анализа 61
2.3 Универсальные системы сбора данных и оперативного диспетчерского управления 65
2.4 Специальные программные комплексы для управления производством волоконно-оптических кабелей 72
3. Совершенствование процесса формования несимметричных кабельных оболочек с помощью математического моделирования 79
3.1 Постановка задачи моделирования течения расплава полимера в неосесимметричном канале формующего инструмента 79
3.2 Разработка математической модели течения полимера 87
3.3 Расчет параметров течения полимера 93
3.4 Анализ полученных результатов 99
3.5 Корректировка параметров инструмента на основе результатов выполненных расчетов, расчет параметров течения полимера для скорректированной конструкции инструмента и анализ полученных результатов 113
4. Математическое моделирование процессов свободной деформации экструдата сложной формы 126
4.1 Постановка задачи моделирования 126
4.2 Задание исходных данных, разработка математической модели процесса 132
4.3 Отработка процедуры выполнения расчетов и анализ полученных результатов 142
4.4 Моделирование деформации в случае отклонений процесса формования 147
5. Разработка алгоритмов и программ для автоматизации процессов кабельного производства 154
5.1 О применении инженерных программных блоков в составе программ автоматизации 154
5.2 Принципы построения и использования экспертных 159 систем
5.3 Разработка алгоритма функционирования и программно- файловой структуры автоматизированной системы для расчета параметров инструмента формования кабельных оболочек 168
5.4 Разработка информационной среды для управления производством волоконно-оптических кабелей 175
Выводы 184
Заключение 186
Список используемой литературы 190
Приложение
- Подбор материалов для элементов конструкции волоконно-оптических кабелей с учётом их свойств, параметров взаимодействия и способов переработки
- Универсальные пакеты компьютерного инженерного анализа
- Разработка математической модели течения полимера
- Задание исходных данных, разработка математической модели процесса
Введение к работе
Значительный прогресс в создании новых перспективных средств связи, повышающих качество и эффективность передачи информации различного вида достигнут во многом благодаря переходу в оптический диапазон частот. Основным каналообразующим элементом в таких системах является оптическое волокно в составе волоконно-оптического кабеля (ВОК).
Во всем мире наблюдается стремительный рост производства и потребления ВОК. При этом производство ВОК в России развивается на основе традиционных кабельных предприятий, естественным образом наследуя при этом оборудование, материалы, технологии, инструмент. Однако, повышенные требования к точности изготовления элементов конструкции ВОК, связанные с крайне высокой чувствительностью оптического волокна (ОВ) к внешним воздействиям, в основном температурным и механическим, заставляют пересмотреть все составляющие технологического процесса.
Внедрение компьютерных технологий на производстве ВОК носит фрагментарный, и, зачастую, бессистемный характер. Имеющиеся разработки в основном относятся к попыткам автоматизации отдельных технологических операций. Такая ситуация влечет за собой финансовые потери на всех этапах производственного цикла, которые могут проявляться в наличии конструктивных запасов, многократной и неоправданно длительной отработке технологических процессов, неоптимальности используемых технологических режимов и инструментария и т д. Перечисленные выше обстоятельства влекут за собой необходимость более ШИРОКОГО использования современных достижений в области автоматизации. Мощным фактором, определяющим пути дальнейшего развития управления производственными процессами, являются значительные успехи в области цифровых технологий. Современное программное обеспечение (ПО) включает широкий спектр «блоков», охватывающих все возможные области применения цифровой технологии; конструирование, расчеты, организацию управления процессом, автоматизацию измерений .
Общепринятыми международными терминами для обозначения соответствующих классов программного обеспечения являются: CAD (Computer-aided design — компьютерная поддержка конструирования), САЕ (Computer-aided engineering — компьютерная поддержка инженерных расчетов) и SCADA (Supervisory control and data acquisition — системы сбора данных и оперативного диспетчерского управления).
Безусловным лидером среди CAD-обеспечения являются продукты компании AutoDesk, в частности пакеты AutoCAD, AutoCAD Mechanical и Mechanical Desktop.
В числе наиболее известных и получивших широкое распространение расчетных пакетов (системы САЕ) можно упомянуть такие многофункциональные системы с единой структурой данных и набором проблемно-ориентированных приложений как ANSYS, CATIA, PRO-ENGINEER и т.д. Кроме того, следует отметить узкоспециализированные системы, способные решать задачи анализа течения вязких жидкостей, и, следовательно, применимые при разработке инструментария и оборудования кабельного производства, как то: STAR-CD, POLYFLOW, POLYCAD и т.д.
Отельный класс представляют инструменты автоматизации технологических процессов (системы SCADA): универсальные - LabView, BridgeView и т.д. (разработчик — компания National Instruments, США), а также готовые решения, предлагаемые лидерами фирм-производителей оборудования для конкретной задачи — производства ВОК: MESS-2000 (SwissCab, Швейцария), RIO (Rosendahl, Австрия), NOMOS (Nextrom, Финляндия), OASYS 1000 (РК Technology, США) и т.д.
Общими проблемами приведенного выше спектра универсального ПО, несмотря на несомненные достоинства, являются указанные рядом исследователей трудности его прямого непосредственного применения для решения конкретных технологических задач. Кроме того, зачастую отмечается:
- высокая «удельная» стоимость, обусловленная использованием при решении конкретной задачи небольшой доли возможностей универсального ПО;
- закрытость и отсутствие возможности модернизации;
- отсутствие адаптированности к Российским условиям, инструкциям и стандартам;
- отсутствие русифицированного интерфейса;
- отсутствие служб технической поддержки в России и т.д.
С другой стороны, даже с учетом перечисленных выше факторов, разработка собственного ПО «с нуля» уже является нецелесообразной в силу неконкурентоспособности.
Возможным подходом к решению технологических задач является сочетание наборов готовых программных блоков и собственного программного обеспечения на основе выработки алгоритмов их использования и взаимодействия. С учетом вышеизложенного задача разработки указанных алгоритмов и необходимого собственного программного обеспечения для конкретной проблемной области —производства ВОК является актуальной. Ее решению посвящена настоящая работа.
Подбор материалов для элементов конструкции волоконно-оптических кабелей с учётом их свойств, параметров взаимодействия и способов переработки
Выбор материалов является одной из главных задач при проектировании конструкции волоконно-оптического кабеля, решение которой определяет характеристики, эксплуатационный ресурс и себестоимость готового изделия. К полимерным материалам для изготовления оптических модулей, предъявляются наиболее жесткие и разносторонние требования по сравнению с другими элементами кабельной конструкции, включающие: стойкость к различным механическим нагрузкам (растягивающим, сжимающим, раздавливающим, истирающим и т.д.), гидролизостойкость, стойкость к химически активным средам, стабильность геометрических размеров при изменении температуры и т.д. В ряде случаев могут предъявляться специфические требования, к примеру, нераспространение горения при низком дымовыделении и отсутствии в составе полимера галогенов (концепция LSZH: Low Smoke Zero Halogen) [104, 105]. Важным аспектом является возможность и «удобство» переработки материала на существующем технологическом оборудовании. Для производства оптических модулей в принципе применимы практически все изоляционные полиэтилены низкой плотности по ГОСТ 16336-77: 102-10(02)К, 107-10(02)К, 153-01(02)К, 178-01 (02)К. Среди достоинств полиэтиленов низкой плотности следует отметить высокую гидролизостойкость, гибкость, пластичность и, безусловно, наилучшую перерабатываемость [27]. При этом, поскольку они не обеспечивают требуемую стойкость оптического модуля к растягивающим нагрузкам, при их применении в конструкцию вводится дополнительный силовой элемент — полимерные нити или стеклонити. В настоящее время опробовано значительное количество других материалов для изготовления оболочек оптических модулей. Среди полимерных материалов лидирующую позицию по механическим свойствам занимают полиамиды. Однако специфические реологические свойства полиамидов делают их достаточно сложными в переработке [27, 28]. Среди применяемых в производстве полиамидов можно упомянуть марки Grilamid TR 55 и Vestamid L1940 [29]. Полибутилентерефталат, также как и полиамид, обладает высокими механическими характеристиками, включая стойкость к растягивающим, сжимающим и раздавливающим нагрузкам, однако в отличие от него является достаточно жестким материалом. Фирмы-производители полимерных материалов предлагают широкий спектр полибутилентерефталатов (к примеру, Grilpet В-24 и Ultradur В 6550), так как они на сегодняшний день являются наиболее предпочтительным материалом для оптических модулей [29]. Полибутилентерефталат обладает хорошими реологическими свойствами, однако узкий температурный диапазон зоны формования (АТформ«10оС), затрудняет его переработку. Послеэкструзионная усадка полибутилентерефталата немного меньше, чем у полиэтилена и полиамида, хотя по сравнению с наполненными композициями выше в несколько раз. Среди недостатков полибутилентерефталата в первую очередь нужно отметить его низкую гидролизостойкость. Для изготовления оптических модулей кабелей, не распространяющих горение, используются негорючие марки полиэтилена отечественного производства, такие как 107-61 К, а также поливинилхлоридные пластикаты, однако, выделение при горении хлора делает их несоответствующими современным международным стандартам по низкому дымовыделению и несодержанию галогенов (LSZH) [27]. В настоящее время фирмы-изготовители полимерных материалов предлагают различные наполненные полимеры для производства оптических модулей. Их преимущество заключается в улучшении какого-либо показателя по сравнению с исходной композицией (пониженный температурный коэффициент линейного расширения, уменьшенная послеэкструзионная усадка и т.д.) или даже в принципиально новом свойстве (нераспространение горения). Основным недостатком наполненных материалов, помимо их высокой стоимости, являются тяжелые условия их переработки. Для изготовления кабельных оболочек, не поддерживающих горения, помимо перечисленных выше материалов все большее применение находят сшитые композиции на основе полиэтилена, полнолефинов и т.д. [106].
Универсальные пакеты компьютерного инженерного анализа
Любое инженерное изделие должно удовлетворять определенным критериям. Соответствие этим критериям возможно только при комплексной оценке влияния геометрических параметров, свойств используемых материалов и условий работы изделия на его поведение. Проведение такого анализа с учетом все возрастающей сложности инженерных решений возможно лишь с применением самых эффективных современных компьютерных технологий. К настоящему времени стали доступны программные комплексы автоматизации инженерных расчетов - САЕ-системы, в которые входят программные продукты различного назначения. Современные продукты САЕ можно условно разделить на 3 группы [60]. К первой группе относятся программные продукты для компьютерного анализа, основанные на методах конечных элементов (FE), конечных разностей (FD) или других методов численного анализа. В данную группу также входят вспомогательные программы для работы с сеткой. Современный компьютерный анализ включает 2 типа программных продуктов: экспертный анализ и упрощенный анализ. Экспертный анализ (expert analysis) подразумевает наиболее мощный и дорогой инструмент моделирования, в котором имеется возможность учета всех важнейших особенностей физического процесса. К упрощенным программным продуктам относятся продукты, построенные на двухмерном анализе, а также упрощенных алгоритмах трехмерного анализа. Имеются самостоятельные программные продукты для работы с сеткой (например, ICEM CFD Engineering, Pro am, SAMM, Hypermesh и т.д.). Продукты данного типа содержат инструментарий для создания и улучшения сеток, что упрощает переход от CAD-моделей к конечно-элементным моделям [61, 62]. Во вторую группу продуктов САЕ входят разного рода справочные системы, системы инженерных расчетов, не использующие конечно-элементный анализ, а также базы данных, разрабатываемые рядом зарубежных институтов и фирм [63]. Третью группу образуют узкоспециализированные учебные компьютерные системы и симуляторы, позволяющие, к примеру, изучить технологический процесс, влияние на него технологических параметров и режимов и т.д. [64]. Каждый из рассмотренных видов программных продуктов САЕ решает свои определенные задачи в процессе выработки технических решений или обучения. Таким образом, зачастую, программные продукты, относящиеся к различным группам и видам, дополняют друг друга и не являются конкурентами. Однако в рамках каждой группы имеется большой выбор доступного программного обеспечения. Одним из наиболее мощных универсальных пакетов в области компьютерной гидродинамики является вычислительный комплекс STAR-CD [62]. Пакет программ STAR-CD разработан фирмой Computational Dynamics Limited. Пакет включает главную программу STAR, название которой является аббревиатурой от Simulation of Turbulent flow in Arbitrary Regions (моделирование турбулентных течений в произвольных областях), а также и программу пре- и постпроцессора PROSTAR. Версия пакета с использованием параллельных вычислений, называемая STAR-HPC доступна как отдельный продукт. Программный комплекс STAR-CD является типичным представителем программного обеспечения из класса «тяжелых» САЕ систем и используется в различных отраслях промышленности для численного решения стационарных и нестационарных задач течения газов и жидкостей, таких как: сжимаемые и несжимаемые течения, турбулентные и ламинарные течения, течения ньютоновской и неньютоновской жидкости, течения в пористых средах, множественные течения, теплопроводность, конвективный, сопряженный и радиационный теплообмен, течения под действием внешних силовых полей, течения со свободной поверхностью, течения с кавитацией [65]. В данной программе используется дискретизация по методу конечных объемов на разнесенных сетках (семейство алгоритмов SIMPLE, Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations). Этот метод был предложен и детально описан в работах [66]. Вопросы, связанные с применением STAR-CD детально разбираются в соответствующих сопроводительных документах, а также в учебных пособиях [67, 68]. Программный продукт ANSYS входит в число лидирующих комплексов вот уже более 25 лет и является на настоящее время одним из немногих пакетов, сертифицированных согласно международным стандартам качества
Разработка математической модели течения полимера
Математическое представление процессов движения и теплообмена расплавов полимеров основывается на фундаментальных законах сохранения массы, количества движения и энергии, приведенных ниже в прямоугольных координатах [95, 100, 101]: где V - скорость, p - плотность, P - давление, с - удельная теплоемкость, Т - температура, t - время, Л - коэффициент теплопроводности, qv мощность внутренних источников тепла. Расположение индексов в компонентах тензора напряжений подчиняется следующему правилу: первый индекс указывает направление нормали к площадке, на которой действует данное напряжение; второй индекс характеризует направление действия напряжения. В силу симметрии тензора напряжений справедливы следующие равенства (закон парности касательных напряжений): Приведенные выше уравнения движения не описывают связи между напряжением сдвига и соответствующими значениями скоростей деформации. Для того, чтобы полностью охарактеризовать поведение деформируемого полимера, необходимо дополнить эти уравнения реологическим уравнением состояния, связывающим компоненты тензора скоростей деформации с компонентами тензора напряжений. Оно может быть записано в виде: компонента напряжения сдвига, / - эффективная вязкость, f,.. тензор скорости деформации, определяемый как: Для расплавов полимеров, проявляющих постоянную степень аномалии вязкости в достаточно широком диапазоне скоростей сдвига и не имеющих явно выраженной ньютоновской области, выполняется закон Оствальда. Такую неньютоновскую жидкость называют «степенной». (I Л /1-І где: JUQ - вязкость материала при скорости сдвига равной единице, /г, -эффективная вязкость, п - показатель аномалии вязкости, 12 - второй инвариант тензора скоростей деформации, который в прямоугольной системе координат определяется выражением:
Задание исходных данных, разработка математической модели процесса
Настоящий раздел посвящен исследованию охлаждения и усадки несимметричной кабельной оболочки с помощью средств термопрочностного анализа программы ANSYS. Рассмотрим некоторые особенности осуществления связанных температурных и прочностных расчетов в данном пакете [74, 75, 76]. Средства термопрочностного анализа ANSYS позволяют использовать результаты решения задачи теплообмена для проведения прочностного анализа. Такая возможность удобна при определении влияния температурного поля на прочность конструкции. Пользователь может задать тепловую нагрузку отдельно или в совокупности с механическими нагрузками. В программе ANSYS доступны два способа связывания теплового и прочностного анализов. Первый состоит в том, что эти два анализа делаются друг за другом. Сначала получают температурное поле в модели для заданных граничных условий теплообмена. Значения температур затем используются в виде нагрузок на стадиях препроцессорной подготовки и получения решения при последующем прочностном анализе. Второй способ предусматривает проведение совместного термопрочностного решения. В программе ANSYS это достигается использованием конечных элементов связанной задачи, которые имеют как тепловые, так и прочностные степени свободы. Из этих элементов создается расчетная модель и задаются тепловые и механические граничные условия. На каждой итерации выполняется решение тепловой и прочностной задач с использованием значений температур и перемещений, полученных на предыдущей итерации. Имеется возможность вводить в расчетную модель контактные элементы общего типа. Эти элементы допускают теплопередачу через поверхность контакта. Как только контактные поверхности смыкаются, становится возможным процесс теплообмена. Возможности статического прочностного анализа программы ANSYS используются для определения перемещений, напряжений, деформаций и усилий, которые возникают в конструкции или ее составных частях в результате приложения механических сил. Статический анализ пригоден для задач, в которых действие сил инерции или процессы рассеяния энергии не оказывают существенного влияния на поведение конструкции. Разрешающее уравнение статического анализа записывается в виде: где [к] - матрица жесткостей, {и} - вектор перемещений. Компоненты вектора сил {F} могут представлять собой сосредоточенные силы, тепловые нагрузки, давления и силы инерции. Можно проводить расчеты по определению таких значений ускорений, которые обеспечивают статическое уравновешивание приложенных к системе нагрузок. Для конечно-элементного представления системы разрешающее уравнение процесса теплопередачи имеет вид: где [с] - матрица удельных теплоємкостей, {г} - производная по времени температуры в узле, [к] - матрица эффективной теплопроводности, {т} -вектор узловых температур, {Q} - вектор эффективного теплового потока в узле.
