Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния проблемы определения и оценки эксплуатационных свойств 13 геотекстильных полотен
1.1 Анализ мировых тенденций и рыночных факторов, определяющих
конкурентоспособность геотекстильных полотен
1.2. Исследование нормативно -технической документации в части геосинтетических материалов, применяемых в строительстве .
1.3. Анализ проблем в оценке качества геосинтетических материалов 27
1.4. Систематизация существующих методов оценки эксплуатационных свойств геотекстильных полотен 32
1.5. Оценка перспектив развития инструментальных методов оценки эксплуатационных свойств геотекстильных полотен с использованиемновых информационных технологий
1.6. Обоснование выбора объекта и методов исследования 43
1.7. Постановка задач исследования
2. Уточнение качественных и количественных характеристик эксплуатационных свойств геотекстильных полотен 46 53
2.1.Совершенствование классификации геотекстильных материалов
2.2.Уточнение общего определения и совершенствование номенклатуры эксплуатационных показателей геотекстильных полотен 79
2.3. Моделирование процесса изнашивания под воздействием физико-механических воздействия
2.4. Разработка информативных количественных показателей для оценки устойчивости геотекстильных полотен к различным видам эксплуатационных воздействий 72
2.5. Выводы по главе
3. Совершенствование компьютеризированного метода измерения показателей эксплуатационных свойств геотекстильных полотен при их истирании .
3.1 Выявление последовательности операций компьютеризированного
метода измерения показателей эксплуатационных свойств при истирании геотекстильных полотен 84 97
3.2. Обоснование предварительных процедур формирования и подготовки лабораторных проб 3.3. Выбор средств получения цифрового изображения пробы и оптимизация режимов их работы 3.4. Анализ изменений в изображениях пробы геотекстильного полотна, полученных после воздействия 103
3.5.Разработка алгоритма распознавания степени повреждаемости геотекстильных полотен на основе анализа цифровых изображений
3.6.Визуализация процесса испытаний и представление результатов измерения показателей эксплуатационных свойств геотекстильныхматериалов .
3.7. Разработка схемы испытательного цикла на основе конечного числа истирающих воздействий
3.8.Выявление новых научных результатов122
4. Апробация и нормирование метода оценки эксплуатационных свойств геотекстильных полотен при их истирании
4.1. Статистический анализ выборочных данных по показателям сходимости и воспроизводимости эксплуатационных свойств геотекстильных полотен 122
4.2. Разработка стандарта организации на методику выполнения измерений показателей эксплуатационных свойств геотекстильных полотен при их истирании 130
4.3. Установление ограничений на применение инструментальной оценки показателей эксплуатационных свойств геотекстильных полотен при их истирании
4.4. Выявление новых научных результатов 133
5. Разработка средств метрологического обеспечения оценки показателей эксплуатационных свойств геотекстильных полотен при их истирании 134
5.1. Разработка виртуальных и физических стандартных образцов (эталонов) эксплуатационных свойств геотекстильных полотен при их истирании
5.2. Установление пределов допустимой погрешности измерений показателей эксплуатационных свойств геотекстильных полотен при их истирании
5.3 Разработка методики поверки стенда для измерения показателей эксплуатационных свойств геотекстильных полотен при их истирании.. 143
5.4. Выделение новых научных результатов
Заключение 147
Список использованных источников
- Исследование нормативно -технической документации в части геосинтетических материалов, применяемых в строительстве
- Моделирование процесса изнашивания под воздействием физико-механических воздействия
- Обоснование предварительных процедур формирования и подготовки лабораторных проб
- Разработка стандарта организации на методику выполнения измерений показателей эксплуатационных свойств геотекстильных полотен при их истирании
Введение к работе
Актуальность темы диссертационной работы. Геотекстильные полотна (ГТП) представляют обширный класс геосинтетических материалов (ГСМ), контактирующих с грунтом или другими средами, применяемыми в строительстве. Без ГСМ сегодня невозможно представить современное строительство. Из-за своих уникальных свойств они нашли широкое применение практически во всех его областях. Главнейшими преимуществами геосинтетических материалов являются сокращение сроков строительства и возможность использования в сложных геологических условиях, в которых применение традиционных методов работы экономически нецелесообразно или физически невозможно. Области применения ГСМ с каждым годом расширяются. Использование их только в дорожной отрасли позволяет уменьшить расход традиционных строительных материалов (песка, щебня, гравия, бетона) и увеличить срок службы дорожных конструкций. Таким образом, применение ГСМ в строительстве является одной из мер, направленных на экономию бюджетных денежных средств, а также на поддержание состояния автомобильных дорог на высоком уровне в течение длительного срока эксплуатации. Отсюда вытекает необходимость исследований показателей группы эксплуатационных свойств ГСМ, как критериев эффективности технологических процессов их получения. Это позволит усовершенствовать методологию приемочного контроля качества соответствующих материалов на стадиях производственного цикла. В настоящее время стандартный метод оценки эксплуатационных свойств ГТП, основывается на определении индекса повреждения через динамику изменения их прочностных характеристик и визуальную оценку изменения внешнего вида материала после физико-механических воздействий. Основными недостатками стандартных методик являются низкая производительность процедуры при высоких трудозатратах, а также недостаточная информативность оценок или затруднения у потребителей в их получении с технической точки зрения. Визуальный осмотр материалов до и после физико-механических воздействий на предмет наличия повреждений с последующей балловой органолептической оценкой имеет выраженный субъективный характер, так как даже при наличии подробного описания изменений и соблюдении необходимых условий проведения оценки ее результаты существенно зависят от мнения эксперта. В результате чего, возникает необходимость в новом подходе к оценке эксплуатационных свойств ГТП, позволяющем получать объективную информацию с минимальным участием человека за счет использования средств компьютерной техники и соответствующего программного обеспечения. В рамках данного исследования рассмотрен процесс изнашивания под действием трения, возникающего при контакте геотекстильного материала с абразивными материалами, так как трение является существенным фактором при монтаже и эксплуатации объектов, в составе которых используются геотекстильные материалы.
Степень научной разработанности избранной темы.
Вопросами изучения классификации ГТП, методами исследования их свойств и показателями качества занимаются как зарубежные (Р. Карвалью, Драгана Копитар, Сабит Аданур,Тяньи Ляо, Ханкю Ю), так и отечественные ученые (Г.К. Мухамеджанов, Б.Н. Гусев, Е.Н. Симчук, В.И. Теличенко, В.И. Клевеко, М.Ю. Трещалин) на базе научно-исследовательских лабораторий АО «НИИ нетканых материалов», Ивановского государственного политехнического университета (ИВГПУ), АНО «НИИ ТСК», НИУ МГСУ, Пермского национального исследовательского политехнического университета, МГУ им. М.В. Ломоносова и др.
В части разработки и совершенствования методов оценки эксплуатационных свойств и долговечности текстильных материалов наиболее известны работы А.Н.Соловьева, Б.Д. Семака, Г.Ф. Пугачевского, Ю.С. Шустова, А.Ф. Давыдова, Ю.Я. Тюменева, Martindale, Wyzenbeck, Stoll и др.
В последние годы все более активно развиваются компьютерные методы количественной оценки геометрических и структурных свойств текстильных материалов по их цифровым изображениям. В данном направлении активно работают ученые ИВГПУ Б.Н. Гусев, А.Ю. Матрохин, Н.А. Коробов, СВ. Павлов, М.А. Сташева, а также ученые КГТУ Г.Г. Сокова, С.Н. Титов.
Диссертационная работа соответствует следующим пунктам паспорта ВАК научной специальности 05.19.01 Материаловедение производств текстильной и легкой промышленности:
2. Строение, свойства и показатели качества тканей, трикотажа и нетканых материалов.
7. Методы оценки и контроля показателей качества, стандартизации, сертификации и управление качеством материалов и изделий в текстильной и легкой промышленности;
10. Методы автоматизации оценки качества материалов и изделий текстильной и легкой промышленности.
Цель работы состоит в повышении объективности и производительности инструментальной оценки повреждаемости геотекстильных полотен при их истирании за счет разработки соответствующего программно-аппаратного обеспечения.
Цель работы подразумевает решение следующих задач:
анализ современного состояния проблемы идентификации ГТП, определения и оценки их эксплуатационных свойств;
выявление аналитических критериев оценки внешних признаков повреждения ГСМ в части геотекстильных полотен ГТП на основе анализа их цифровых изображений;
- разработка алгоритма распознавания степени повреждаемости ГТП в
процессе эксплуатационных испытаний;
разработка и реализация автоматизированного метода инструментальной оценки эксплуатационных свойств ГТП;
тестирование программно-аппаратного обеспечения и верификация результатов оценки повреждаемости ГТП;
проведение сравнительных испытаний ГТП различного ассортимента при их истирании;
- оценка метрологических характеристик средств контроля для
обеспечения достоверности оценки показателей эксплуатационных свойств
ГТП при их истирании;
- установка критериев приемки ГТП и правил принятия решений о
возможности их применения.
Объект исследования - геотекстильные полотна тканых и нетканых структур, используемые в контакте с грунтом и /или другими материалами (средами) при строительстве дорожных конструкций, инженерных сооружений, ландшафтных работах и сельском хозяйстве.
Предмет исследования - эксплуатационные характеристики, проявляющиеся при истирании ГТП и оцениваемые в ходе приемочного, входного и операционного контроля.
Научная новизна диссертационной работы заключатся в развитии инструментальных методов количественной оценки эксплуатационных свойств ГТП с использованием многомасштабных математических преобразований квазинепрерывных цифровых сигналов, полученных на основе растровых изображений.
Впервые получены следующие научные результаты:
предложена система классификации ГСМ, позволяющая устанавливать технические требования к конкретной продукции с учетом областей ее применении и функционального назначения;
сформулировано базовое определение группы эксплуатационных свойств ГТП, упорядочивающее принадлежность существующих и разрабатываемых показателей качества данной продукции;
определены дополнительные внешние признаки повреждаемости ГТП и спроектированы новые параметрические показатели восприимчивости ГТП к физико-механическим воздействиям;
- разработан алгоритм и способ автоматизированного определения
степени повреждения ГТП на основе применения амплитудно-частотных
преобразований при сопоставлении изображения, полученных до и после
физико-механических воздействий;
проведено нормирование выходных характеристик степени
повреждения ГТП на основе традиционной балловой шкалы с
использованием расхождений между амплитудно-частотными
характеристиками сигналов до и после физико-механических воздействий;
- предложена схема испытательного цикла ГТП на основе конечного
числа истирающих воздействий;
- разработаны средства метрологического обеспечения системы
контроля эксплуатационных свойств ГТП при их истирании.
Новизна разработанных технических решений защищена патентом РФ на изобретение № 2593341 (опубл. 10.08.2016, бюллетень № 22),
свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2017616493 (опубл. 07.06.2017).
Теоретическая значимость работы заключается в создании новой методологии исследования изменений внешних признаков ГТП под воздействием физико-механических факторов; в применении многомасштабных математических преобразований квазинепрерывных цифровых сигналов для оценки повреждаемоости ГТП; в разработке критериев для оценивания уровня качества ГТП в части их стойкости к истиранию; в разработке подходов к контролю точности результатов оценки повреждаемости ГТП.
Практическая значимость работы состоит в разработке способа автоматизированного определения показателей повреждаемости ГТП и программы для ЭВМ, позволяющей автоматизировать процесс расчета степени износа ГТП в процессе эксплуатационных испытаний. Благодаря использованию в техническом контроле ГТП разработанного способа, созданы возможности автоматизации оценки качества и повышения производительности процесса контроля. Разработан проект стандарта организации на методику выполнения измерений показателей эксплуатационных свойств ГТП при их истирании.
Результаты работы могут быть использованы в производстве и в службах технического контроля качества продукции текстильных предприятий, в независимых испытательных лабораториях, а также в учебном процессе для студентов вузов соответствующих направлений подготовки.
Практическая реализация результатов работы осуществлялась в условиях ООО «БМсофт», ФГБОУ ВО «ИВГПУ».
Методология и методы диссертационного исследования. В ходе выполнения диссертационного исследования решались как технологические, так и метрологические проблемы, которые требовали проведения соответствующих теоретических и экспериментальных исследований. В качестве теоретических методов исследований использованы методы, относящиеся к теории распознания образов, в т.ч. амплитудно-частотное преобразование, а также методы корреляционно-регрессионного анализа, методы теории вероятностей и математической статистики.
Для получения экспериментальных данных применен универсальный аппарат для истирания по плоскости типа FF-21. В качестве средств получения первичных данных были использованы оптические средства, оснащенные аналого-цифровыми преобразователями (матрица CCD, CMOS). Первичные данные, получаемые от периферийных устройств, подвергались программной и статистической обработке после их передачи в память ЭВМ. Обработка полученных данных осуществлялась с помощью оригинальных компьютерных программ с использованием производительного программно-вычислительного комплекса на базе процессора Intel Core І7-5960Х @ 3.00GHz.
Положения, выносимые на защиту:
1. Усовершенствованная система классификации ГСМ;
2. Алгоритм распознавания степени повреждаемости ГТП в процессе
эксплуатационных испытаний;
3. Новый способ автоматизированного определения показателей
повреждаемости ГТП в процессе эксплуатационных испытаний;
-
Характеристики износа (повреждаемости) ГТП, определяемые в процессе физико-механических воздействий;
-
Методика контроля показателей повреждаемости ГТП при их истирании, реализованная в виде стандарта организации.
Степень достоверности и апробация работы. Основные материалы диссертационной работы доложены и получили положительную оценку:
на заседании кафедры «Материаловедение, товароведение, стандартизация и метрология» Текстильного института ИВГПУ (2017);
- на международном научно-практическом форуме «Развитие научных
основ и поиск эффективных механизмов внедрения прогрессивных
технологических решений в текстильной и смежных с ней отраслях
промышленности» (SMARTEX-2016), ИВГПУ, Иваново, 2016 г.;
на международных научно-практических конференциях «Новое в технике и технологии текстильной и легкой промышленности», «Моделирование в технике и экономике», ВГТУ, Витебск, 2015, 2016 гг.;
на межвузовских научно-технических конференциях аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (Поиск-2014...2017), ИВГПУ, Иваново, 2014...2017 гг.;
- на международной научно-технической конференции «Дизайн,
технологии и инновации в текстильной и легкой промышленности»
(ИННОВАПИИ-2015), МГУДТ, Москва, 2015 г.;
на научно-практической конференции с международным участием «Современное состояние науки и практики в областях стандартизации, метрологии и управлением качеством РФ», ВлГУ, Владимир, 2015 г.;
на международной молодежной научно-практической конференции «Качество продукции: контроль, управление, повышение, планирование», ЮЗГУ, Курск, 2015 г.;
на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы науки в развитии инновационных технологий» (Лен-2014), КГТУ, Кострома, 2014 г.
Личный вклад автора. Соискателю принадлежит основная роль в постановке и решении задач, в непосредственном выполнении теоретических и экспериментальных исследований, разработке соответствующих алгоритмов и программного обеспечения, обобщении результатов и формулировки выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 16 печатных работ. Из них три статьи в журналах, рекомендуемых ВАК для опубликования основных научных результатов кандидатских диссертаций («Известия вузов. Технология текстильной промышленности», «Academia. Архитектура и строительство»), в одном патенте на изобретение, одном свидетельстве на о государственной регистрации программы для ЭВМ и в 11 материалах и тезисах научно-технических конференций различного уровня.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения и 5 глав, содержит 190 страниц машинописного текста, 50 рисунков, 21 таблиц, список литературы из 96 наименований и 4 приложения.
Исследование нормативно -технической документации в части геосинтетических материалов, применяемых в строительстве
Использование геотекстиля обусловлено наметившимися в последние десятилетия тенденциями, связанными с повышением темпов работ и капитальности сооружений в связи с возросшими нагрузками, стремлением увеличить долговечность конструкций, а также необходимостью прокладывать лесных дорог в сложных почвенно-грунтовых условиях [8].
Наряду с позитивными тенденциями есть и нерешенные проблемы, которые пока сдерживают широкое распространение ГСМ в различных отраслях экономики ТС. Среди них: несовершенство нормативной и методической базы производства и применения ГСМ на основе отечественного опыта и зарубежной практики; отсутствие идентификационных кодов ГСМ в ОКП и ТН ВЭД; проведение комплексных натурных и лабораторных испытаний ГСМ в зависимости от исходного сырья полимера, в особенности по таким характеристикам, как устойчивость к УФ-излучению, ползучесть, грибоустойчивость, необходимо с целью установления коэффициента соответствия между натурными и лабораторными испытаниями; слабая техническая оснащенность лабораторно-испытательной базы для комплексной оценки качества ГСМ. Также существует настоятельная необходимость объединения усилий ученых и производственников различных отраслей экономики для решения вышеизложенных проблем.
В Россию геосинтетика пришла лишь в конце прошлого века, а в Европе к тому времени уже была накоплена не только теоретическая и экспериментальная база по их использованию, но и велась подготовка специалистов для работы с геоматериалами. Поэтому у нас они нередко применяются бездумно или, наоборот, в ограниченном объеме. Связано это в первую очередь с отсутствием актуальной нормативной базы и, как следствие, отсутствие какого-либо контроля качества материалов [11]. Однако при использовании геоматериалов имеет значение не только их качество и долговечность, но и грамотность применения. При правильном выборе геоматериалов и соблюдении всех требований к их применению за счет сокращения объемов использования природных материалов, заменен дорогих и объемных железобетонных конструкций на армогрунтовые удается снизить себестоимость строительства. В России при выполнении геотехнических расчетов для различных сооружений зачастую отсутствует опыт проектирования и моделирования конструкций с применением геосинтетики в современных программных комплексах, в связи с чем, инженеры -проектировщики стараются не использовать такие материалы [12].
Еще одна не маловажная проблема, с которой сталкиваются строительные организации на этапе закупки материалов, - контрафактная, некачественная продукция, применение которой нивелирует все преимущества ГСМ дает повод для сомнений в их надежности и эффективности. Контрафакт – это вопрос безопасности, ведь поврежденные из-за некачественных материалов трассы самым жестким образом уносят человеческие жизни.
Таким образом, страны ТС, обладающие огромным потенциалом роста, обширной территорией, различными почвенно-климатическими, грунтово-минералогическими условиями, имеют все предпосылки и дальнейшего развития производства и применения ГСМ во всех сферах экономики этих государств.
Система нормативно-технической документации в области применения геосинтетических материалов в дорожном строительстве является одним из важных аспектов, регулирующих как конкуренцию на рынке, так и уровень качества используемой продукции. А в конечном итоге – и качество дорог [13]. Еще 5 лет назад все ссылались на отсутствие государственных стандартов на ГСМ и методики их испытаний. Существовавшие в то время пять ГОСТов, внесенных ТК 412 «Текстиль», относились к геотекстилю и решали только проблему отбора проб, определения толщины, поверхностной плотности, водопроницаемости и характеристик открытых пор. Толчком к развитию нормативной базы ГСМ стало создание Росавтодором серии отраслевых дорожных методических документов, в частности ОДМ [14]. На сегодняшний день в дорожном хозяйстве действуют следующие отраслевые дорожные методические документы (ОДМ): ОДМ «Методические рекомендации по применению технологии армирования асфальтобетонных покрытий рулонными базальтоволокнистыми материалами при строительстве и ремонте автомобильных дорог». (Распоряжение № ОС-333-р Росавтодор 11.09.2001) [15]; ОДМ 218.5.002-2008. Методические рекомендации по применению полимерных геосеток (георешеток) для усиления слоев дорожной одежды из зернистых материалов [16]; ОДМ 218.5.001-2009. Методические рекомендации по применению геосеток и плоских георешеток для армирования асфальтобетонных слоев усовершенствованных видов покрытий при капитальном ремонте автомобильных дорог» [17]; ОДМ 218.5.003-2010. Рекомендации по применению материалов при строительстве и ремонте автомобильных дорог [18]; ОДМ 218.5.005-2010. Классификация, термины и определения геосинтетических материалов применительно к дорожному хозяйству [19]; ОДМ 218.5.006-2010. Рекомендации по методикам испытаний геосинтетических материалов в зависимости от области их применения в дорожной отрасли [20];
Моделирование процесса изнашивания под воздействием физико-механических воздействия
В ходе литературного обзора (раздел 1.1, 1.2) показано, что препятствием для эффективного обращения геотекстильных материалов является расхождение между положениями используемой нормативно-технической документации и формирующимся рынком данной группы товаров в части отнесения того или иного материала к конкретной классификационной группе. Это влечет проблемы в установлении проектных требований и определении необходимых ресурсов для подтверждения соответствия этим требованиям.
Определение конкретных эксплуатационных характеристик геотекстильных материалов невозможно без соответствующего контекста, заключающегося в установлении конкретных условий, в которых применяется материал. Поскольку область применения и разнообразие видов геосинтетических материалов постоянно расширяется, необходимо предложить систематическую основу для определения применимости того или иного свойства для оценки материала на стадии разработки, закупок и проектирования конструкций с ним.
В течение последнего десятилетия в России постоянно растет объем использования геосинтетических материалов (ГСМ) в различных областях строительства. Они применяются в дорожных конструкциях, инженерных сооружениях, ландшафтных работах, а также в сельском хозяйстве. Стремительное увеличение спроса на подобные материалы обусловлено увеличением сложности и ответственности архитектурных и строительных решений. При существующем разнообразии ГСМ особое значение приобретают такие аспекты, как выбор типа конструктивного решения и степень экономической эффективности его возможных вариантов с учетом качества используемых материалов [59].
Ассортимент геосинтетических материалов зарубежного производства сегодня практически полностью представлен на российском рынке. Появились производители геотекстиля, георешеток и композиционных материалов и в нашей стране. При одинаковом уровне показателей качества цена зарубежных геосинтетических материалов выше по сравнению с отечественными за счет таможенных сборов и увеличения транспортных расходов [60]. Однако в России до сих пор отсутствует достаточная нормативная база для ГСМ, что вносит несогласованность во взаимодействие между проектировщиками, изготовителями, и потребителями геосинтетической продукции. При использовании ГСМ непосредственно исполнители сталкиваются с рядом трудностей: 1) отсутствие единой научно-обоснованной классификации ГСМ (в действующем ОКП отсутствует раздел, группа и, соответственно, коды ГСМ, что затрудняет получение достоверной информации по объему выпуска и применению ГСМ в различных секторах экономики); 2) недостаточность в России арсенала методов испытаний и приборов для оперативной оценки свойств выпускаемой продукции и, как следствие, большое количество низкосортной, а нередко контрафактной продукции на рынке геосинтетических материалов [61].
Перечисленные проблемы негативно влияют на процессы разработки новых материалов, на определение общих требований к ГСМ различного назначения, функций и структуры, а также на подбор конкретных материалов при решении разнообразных технологических задач.
Процесс упорядочения и систематизации в данной сфере целесообразно начать с формирования общей классификации ГСМ и последующей подготовки проекта стандарта, устанавливающего систему показателей качества продукции с учетом последних научных данных [62] и нормативной документации, действующей в России и за рубежом.
Международным обществом по ГСМ (International Geosynthetics Societi) разработано более 30 стандартов ISO и более 60 европейских стандартов (EN), регламентирующих виды испытаний геосинтетики и устанавливающих требования к этим материалам при их применении в различных областях строительства (п. 1.3.). Несмотря на положительную динамику стандартизации ГСМ, имеются серьезные разночтения на уровне классификации и в понимании ключевых терминов. В частности, [32] определяет георешетку как «объемный складывающийся ячеистый модуль, состоящий из полимерных полос, соединенных между собой, как правило, в шахматном порядке при помощи экструзии, прессования, сварки, литья под давлением или другими способами». Исходя из этого, георешетку нельзя отнести к геотекстильным материалам. В то же время согласно [5] георешетка - плоский геосинтетический материал, имеющий сквозные ячейки правильной формы, размер которых превышает толщину ребер, образованный путем экструзии, склеивания, термосклеивания или переплетения ребер, противостоящий растяжению (внешним нагрузкам), и выполняющий роль усиления конструкции. Таким образом, можно сделать вывод о том, что потенциально георешетка может иметь родство с геотекстилем. Данные расхождения проявляются в неправомерном отнесении тех или иных материалов к конкретным классификационным группам, например, [5] относит нетканые георешетки (ГР-ГТ-НТ) к типу геотекстиля. Кроме того, в [5] отсутствует классификационный тип «геотекстилеподобных материалов», который предусмотрен в терминологическом стандарте [32].
Причиной несогласованности действующей классификации является попытка ее разработчиков объединить в нескольких признаках объекты, принципиально отличающиеся по своей природе. Представляется, что такой подход противоречит известным правилам классификации [59], а дальнейшее развитие нормативных документов в области ГСМ требует структурного изменения сложившейся системы классификации.
Отправным моментом предлагаемого решения [63] является разделение системы классификации ГСМ на общую и предметную части. При разработке новой общей классификации ГСМ прежде всего необходимо смоделировать потребности пользователей (проектировщиков объектов, исполнителей проектов и др.).
Логичным является предположение о первостепенной важности области применения ГСМ (признак первого уровня). Исходя из сложившейся практики, такими областями являются: дорожные конструкции (ДК); инженерные сооружения (ИС); ландшафтные работы (ЛР); сельское хозяйство (СХ).
Следующая потребность пользователей состоит в уточнении конкретного функционального назначения согласно существующему перечню [5]: армирование (А); разделение (Р); фильтрация (Ф); дренирование (Д); борьба с эрозией (Б); гидроизоляция (Г); теплоизоляция (Т); защита (З). Присвоение функционального назначения определяет признак второго уровня в классификации ГСМ.
Обоснование предварительных процедур формирования и подготовки лабораторных проб
Каждый пиксель имеет свой цвет, яркость и заданное положение в структуре изображения. Растровое изображение хранится с помощью точек различного цвета (пикселей), которые образуют строки и столбцы. Важным преимуществом подобного формата является возможность манипулирование (извлечение, математическое сложение, сравнение) пикселями в различных вариантах (по вертикали, по горизонтали, произвольными областями) с построением и анализом информативных диаграмм.
Предлагаемый подход к оценке износа полотен основан на получении цифрового растрового изображения поверхности исходного образца и образца после соответствующего физико-механического воздействия с последующей автоматизированной обработкой изображений с помощью волновых преобразования. При реализации данного подхода особую важность приобретает выбор информативного признака, способного отражать изменения объекта, как на локальных участках, так и на всей площади образца. В ходе исследований установлено, что необходимую первичную информацию в полном объеме несут профиль яркости и массив его амплитудно-частотных характеристик [80]. Профиль яркости изображения представляет собой результирующий массив длиной в N элементов, полученный в результате суммирования (усреднения) M элементов, расположенных в вертикальных или горизонтальных рядах первичного массива размером M N.
Изменение конфигурации и внешних признаков исследуемого полотна в процессе физико-механического воздействия проявляется во всех элементах профиля яркости. Отдельный элемент неспособен дать достаточную информацию о характере изменения, поэтому необходимо рассматривать профиль яркости целиком. Для этого можно определить соответствующую ему амплитудно-частотную характеристику (АЧХ), например, с использованием преобразования Фурье. Замечено, что любое тканое и ряд нетканых ГТП имеют характерную периодичность в структуре, которая проявляется в характерных амплитудных пиках АЧХ, длина волны которых соответствует расстоянию между повторяющимися элементами структуры ГТП. В процессе изнашивания элементы структуры полотна расшатываются или становятся трудно различимыми, что отражается на амплитуде пиков АЧХ профиля яркости изображения или на изменении длины волны этих пиков. Степень изменения АЧХ напрямую зависит от восприимчивости материала к воздействию, поэтому уместной вторичной числовой оценкой произошедшего изменения выбрана абсолютная разность между элементами массивов амплитудно-частотных характеристик профилей яркости изображения, сформированных до и после определенного физико-механического воздействия. () () Y=A -A , (2.6) i iдо iпосле где (Аi)до - i-й элемент массива амплитудно-частотных характеристик профиля яркости, построенного до начала физико-механического воздействия на образец, (i = 1, 2, …, N); (Аi)после - i-й элемент массива амплитудно-частотных характеристик профиля яркости, построенного после определенного физико-механического воздействия на образец, (i = 1, 2, …, N).
Информативную результирующую оценку произошедшего изменения структуры полотна на конкретном фрагменте можно получить путем накопления абсолютных разностей между элементами массивов амплитудно-частотных характеристик профилей яркости изображения исходного образца и образца, подверженного физико-механическому воздействию N Y=Yi (2.7) i=1 с последующим преобразованием абсолютной величины Y в относительную величину в зависимости от N для большей универсальности. На следующем этапе проектирования необходимо было решить задачу по установлению четких критериев для автоматической фиксации момента разрушения полотна. С этой целью строят график кинетической характеристики (рис. 2.13) из последовательных оценок Yj изменения структуры полотна, полученных от начала испытаний до текущего момента. "ЕҐ«" _ _ 1 №i-entwrWl-l» 0 Свдапч A
Каждое значение Yj должно быть сопоставлено с некоторым критическим уровнем (балл), полученным на основе математической модели, установленной для конкретной ассортиментной группы ГТП. Разработка подобных математических моделей рассмотрена в разделе 4. В случае если текущее значение Yj превысит критический уровень, то должен быть сгенерирован сигнал о наличии недопустимого разрушения, а оператор должен зафиксировать в протоколе количество циклов воздействия, выдержанных образцом.
Разработка стандарта организации на методику выполнения измерений показателей эксплуатационных свойств геотекстильных полотен при их истирании
Цель исследования на данном этапе заключается в приведении выходного результата компьютерной оценки к традиционной шкале (например, от 0 до 10 баллов), при этом обеспечив сохранение высокой точности и чувствительности компьютерного метода.
Основной подход заключается в получении математической модели передаточной (результирующей) функции между стандартной балловой шкалой и условной шкалой компьютерного метода. Для этого необходимо получить ряд значений оценки повреждаемости одного и того же материала как в системе экспертных оценок, так и в единицах относительного отклонения АЧХ.
Прежде всего, раскроем результаты балловой оценки повреждения геотекстильных материалов, которые в дальнейшем будем рассматривать как базовые. В качестве объектов исследования выбраны геотекстильные материалы полотняного переплетения (ГТП №1) и (ГТП №2). В качестве прибора для испытания геотекстильных полотен нами был использован универсальный аппарат для плоского истирания типа FF-21 и соответствующий режим движения (комбинация двух перпендикулярных друг к другу, отличающихся по частоте альтернативных движений - сетевое составное движение по всей плоскости).
Согласно [4] проведены поэтапные испытания выбранных объектов на трех одновременно заправленных образцах при нагрузке 415 г. Шаг между этапами истирания выбран в 125 циклов. В качестве абразива использовалась наждачная бумага (2С 720x30 Л1 14АМ63НС ГОСТ 5009-82). После каждого этапа истирания выполнялась фиксация состояния образцов. Испытания проводились до максимальной степени повреждения. Для мембранного объекта ГТП №1 эта степень соответствовала появлению сквозной перфорации, а для объекта ГТП № 2 – критическому нарушению целостности структуры. Визуальное представление результатов испытаний приведено на рис. 3.21.
При получении стандартного ряда балловых оценок для ГТП №1 фактический ряд результатов оказался больше десяти и каждый его элемент (этап) несет свою смысловую нагрузку, поэтому принято решение увеличить число уровней шкалы до 12. В отношении ГТП №2 для того, чтобы «растянуть» шкалу, принято решение использовать в общем ряду результаты истирания различных образцов того же материала, обладающие наглядными признаками. Данное допущение признано возможным, так как состояние образцов на поздних стадиях истирания мало сопоставимо с исходным образцом. Таким образом, число уровней балловой оценки для образца ГТП №2 оказалось равным девяти.
Интегрирование по величине разности (2.6) отображает итоговый результат по каждому этапу воздействия и представлено в виде кинетической характеристики (рисунок 3.22)
Можно заметить, что кинетическая характеристика обладает нестабильностью динамики значений, что не соответствует предположению о необратимом накоплении изменений и дефектов на полотне. Решение данной проблемы может быть найдено путем построения расчетной аппроксимирующей линии, определяющая взаимосвязь между интенсивностью воздействия (количеством циклов) и результатом воздействия (степенью изнашивания). Также необходимо привести оценку степени изнашивания от предложенной ненормированной величины (А) к традиционной балловой шкале. Так как балловая шкала степени изнашивания [4] является субъективной и подразумевает участие экспертов, то на данном этапе считаем целесообразным проведение выборочного экспертного опроса.
Для осуществления экспертного опроса получена подборка распечатанных с высоким разрешением и качеством печати изображений ГТП, подверженных испытаниям на истирание. Фотоизображения рассортированы в случайном порядке, независимо от последовательности циклов истирания и кодированы буквами латинского алфавита. Сущность экспертного ранжирования сводилась к нахождению каждым экспертом изображения исходного образца в представленном фоторяде и присвоению ему ранга 0. Далее каждый эксперт индивидуально должен был распределить ранги для оставшихся изображений и зарегистрировать их в предлагаемой форме. В качестве экспертов были привлечены специалисты из ФГБОУ ВО «ИВГПУ». Результаты ранжирования, полученные от всех экспертов сведены в табл. 3.5 и 3.6.
На следующем этапе решения задачи получены результаты определения повреждаемости исследуемых материалов в единицах относительного отклонения АЧХ изображений полотен. Оценка проводилась по трем узким прямоугольным участкам во всю ширину изображений, равномерно распределенным по высоте (в верхней части, в центре и внизу) изображения. Усредненные экспериментальные результаты анализа изменения АЧХ изображений ГТП №1 приведены в таблице 3.7.
На графике экспериментальных данных (рис. 3) наблюдается характерное увеличение отклонений между элементами АЧХ. Наблюдаются также некоторые колебания экспериментальных точек во второй части испытательного цикла. На данное наблюдение может повлиять ряд факторов, неучтенных ранее. Чтобы «отстраниться» от их влияния построена аппроксимирующая функция на основе экспоненциальной зависимости (рис. 3.23), с помощью которой можно получить ожидаемые значения изменения амплитудно-частотной характеристики для идеализированного образца.
На основе полученных рядов можно приступить к поиску результирующей функции, связывающей инструментальную компьютерную оценку повреждаемости и органолептическую экспертную оценку. Построение функции проведено с использованием программы Advanced Grapher 2.2. В качестве входных данных (ряд х) использованы аппроксимированные значения отклонений между элементами АХЧ, а в качестве выходных параметров (ряд Y) – средневзвешенные экспертные балловые оценки степени повреждения. Фактическая и теоретическая зависимости отражены на рисунке 3.24.