Содержание к диссертации
Введение
1. Принципы проектирования композиционных материалов. состояние и перспективы 14
1.1. Основные термины и определения 14
1.2. Эволюция представлений о композиционных материалах 20
1.3. Поп и структурная теория 23
1.4, При ложен не пол и структури ой теории к синтезу серных композиционных матернапов специального назначения 32
2. Системные методологии в приложении к разработке композиционных материалов 43
2.1. Системный подход 43
2.2. Синергетический подход 58
2.3. Информационный подход 59
2.4. Гомеостатический подход 60
2.5. Закономерности в системах 61
3 Композиционные материалы как системы 67
3.1. Парадоксы целостности и иерархичности 72
3.2. Разработка иерархической структуры критериев качества радиационно-защитного композита 80
3.3. Разработка иерархической структуры радиационно- защитного композита .
3.4. Иерархические структуры специальных и декоративных покрытий И их критериев качества
3,5.Формирование интегративных. системообразующих свойств материала 86
4. Кинетические процессы формирования физико-механических характеристик 112
4.1. Основные виды кинетических процессов 114
4.2. Обобщенная динамическая модель кинетических процессов... 121
4.3. Условия действительности шрва9 \:\ракїермстнческого полинома четвертого порядка 122
4.4. Параметрическая идентификация кинетических процессов в гомогенных и дисперсных системах 126
5. Формализация оценки качества материалов. функционалы качества 161
6. 0птимизация структуры и свойств эпоксидных композитов повышенной плотности с использованием областей равных оценок 180
6.1. Оптимизация структуры и свойств эпоксидных композитов повышенной ПЛОТНОСТИ для защиты от радиации
6.2. Определение весовых констант в функционале качества 198
6.3. Геометрические методы при анализе структурообразования и формирования свойств композиционных материалов в области фазовых переходов 203
7. Многокритериальный синтез композиционных материалов специального назначения 216
7.1.Синтез материалов на основе решения лексикографической задачи оптимизации 220
7.2. Некоторые способы преодоления неопределённости целей... 229
7.3. Определение множеств Парето 244
7.4. Принцип Парето в управлении качеством 252
Общие выводы 258
Библиографический список 260
- Эволюция представлений о композиционных материалах
- Системный подход
- Разработка иерархической структуры критериев качества радиационно-защитного композита
- Условия действительности шрва9 \:\ракїермстнческого полинома четвертого порядка
Введение к работе
Развитие ядерной энергетики, чернобыльская катастрофа, необходимость решения задач по инженерной защите персонала, населения, оборудования, здании и сооружений ряда отраслей промышленности, включая хранение высокотоксичных и радиоактивных отходов и материалов, значительно повысили актуальность создания композиционных материалов со специальными свойствами с возможностью регулирования их структуры.
Для Пензенской области работы по решению этих задач имеют особый интерес (предстоящее уничтожение 17.2% российских химического оружия по Федеральной программе в соответствии с Международной конвенцией; наличие в г. Заречный Пензенской области объединения «Старт» Росатома РФ и др.).
В работе и осуществляется комплексное исследование научных и технических проблем, связанных с разработкой композиционных материалов специального назначения с применением математического моделирования, вычислительного эксперимента, методов и алгоритмов структурно-параметрического синтеза и идентификации сложных систем с позиций системного анализа для обеспечения безопасности деятельности объектов ядерной энергетики, химически опасных производств и др. Полученные результаты являются теоретический основой для получения различных композиционных материалов с заданным комплексом эксплуатационных свойств и базой компьютерного проектирования иуправления технологией их производства.
Актуальность рассматриваемых вопросов была четко сформулирована академиком РААСН В.И.Солом атовым. который на выездной сессии академии в т.Иваново (2000г. ) отметил, что разработка состава композиционных материалов традиционно носит лишь описательный характер, и назрела необходимость фуидамснталіиаціш синтеза материалов.
Исследования в этой области длительное время велись в Пензенском государственном университете архитектуры и строительства под руководством член а-корреспондента Российской академии архитектуры и строительных наук л г и профессора ] Ірошипл Анатолия І Іегрошіча при пепо следственном участии крупных авторитетных специалистов и других организаций.
За это время при непосредственном участии автора решены важные задачи по разработке методологических принципов создания указанных материалов с использованием системных методологий и моделирования процессов формирования их структуры и физико-механических характеристик, решены вопросы управления их качеством. К решению этих задач проявлен интерес ряда государственных структур, включая аппарат полномочного представителя Президента Российской Федерации в Приволжском Федеральном округе, Международного научно-технического центра (Бельгия. Брюссель). Ядерного центра (Россия. Снежинск). Физического института Российской академии наук им. ПН Лебедева. Российской академии архитектуры и строительных наук. Федеральной службы специального строительства Российской Федерации, Министерства промышленности, науки и технологии РОССИЙСКОЙ Федерации и других заинтересованных организаций США, Румынии. Израиля, Германии и др.
Осуществлены фундаментальные исследования:
«Теоретические аспекты применения современных методов планирования эксперимента при разработке композиционных строительных материалов со специальными свойствами»; гос.per. №01200103653 (программа: «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники на 2001-2002 г.г.»: подпрограмма: 211 «Архитектура и строительство»: раздел: 211.02 «Создание высококачественных строи тельных материалов и изделий. Разработка ресурсосберегающих, экологически безопасных технологий в строй индустрии);
- «Разработка нового подхода к синтезу строительных материалов с использованием методов теории управления», rocper. № 01200303812 (грант Минобразования РФ Т02-12.2-116, 2003-2004 г.г.);
«Разработка методологических принципов, структуры и содержания системы подготовки и переподготовки инженерных кадров в области дорожного строительства», гос. per. №01200307727 (Межотраслевая программа научно-инновационного сотрудничества между Министерством образования Российской Федерации и Федеральной службой специального строительства Российской Федерации «Наука, инновации, подготовка кадров в строительстве». Направление «Научно - инновационное сотрудничество», 2003 г.);
- «Методологические принципы создания композиционных материалов специального назначения с регулируемыми характеристиками структуры и свойств» (задание Федерального агентства по образованию; приоритетное направление науки и техники, по которому проводится НИР -«Новые материалы й химические технологии», 2006-2007 г.г.) и др.
При выполнении работ автор опирался на опыт научной школы Прошина А.П. по созданию радиационно-зашитных сверхтяжелых бетонов. Большой вклад в решение задач по моделированию, оптимизации и синтезу систем, в том числе структуры и свойств композиционных материалов, внесли Аврорин Е.Н.. Красовский А.А., Мзтросов В.М., Пранги-швили И.В., Баженов Ю.М., Комохов В.Г., Соломатов В.И., Соколова Ю-А., Чернышев ЕМ., Федосов СВ., Воскресенский ЕВ., Бобрышев А.Н., Воробьев В.А., Ерофеев ВЛ\, Селяев В.П., Черкасов В.Д., Андрейченко К.П., Данилов A.M., Иващенко Ю.Г., Королев Е.В., Петров СВ. и др. Со тельных материалов и изделий. Разработка ресурсосберегающих, экологически безопасных технологий в стройиндустрии);
- «Разработка нового подхода к синтезу строительных материалов с использованием методов теории управлениям, гос.рег. № 01200303812 (фант Минобразования РФ Т02-12-2-116, 2003-2004 г.г.):
- «Разработка методологических принципов, структуры и содержания системы подготовки и переподготовки инженерных кадров в области дорожного строительства», гос. per. №01200307727 {Межотраслевая программа научно-инновационного сотрудничества между Министерством образования Российской Федерации и Федеральной службой специального строительства Российской Федерации «Наука, инновации, подготовка кадров в строительстве» Направление «Научно - инновационное сотрудничество», 2003 г.):
- «Методологические принципы создания композиционных материалов специального назначения с регулируемыми характеристиками структуры и свойств» (задание Федерального агентства по образованию; приоритетное направление науки и техники, по которому проводится НИР -«Новые материалы и химические технологии», 2006-2007 г.г.) и др.
При выполнении работ автор опирался на опыт научной школы Прошина А.П. по созданию раднационно-защитных сверхтяжелых бетонов. Большой вклад в решение задач по моделированию, оптимизации и синтезу систем, в том числе структуры и свойств композиционных материалов, внесли Аврорин Е.Н., Крзсовский А.А., Матросов В.М., Пранги-швили И.В., Баженов ЮМ., Комохов П.Г., Соломатов ВИ., Соколова ЮЛ., Чернышоя Е.М., Федосов СВ., ВоскрееевсКНЙ Е В , ВобріШЮВ А.Н., Воробьев В.А., Ерофеев В.Т.. Селяев В.П., Черкасов В.Д., Андрейченко К.П.. Данилов A.M., Иващенко ЮГ., Королев Е.В., Петров СВ. и др. Со многими из них автору посчастливилось непосредственно работать при выполнении совместных проектов. Цели работы:
- разработка нового подхода к созданию материалов на основе методов системного анализа и моделирования кинетических процессов формирования физнкомех.ішіческпх характеристик для управления их качеством;
- разработка методологических принципов синтеза композиционных материалов в приложении к созданию материалов специального назначения.
Задачи исследований:
1. Определение системных атрибутов композиционных материалов как сложных систем.
2. Определение места системы «Композиционные строительные материалы» в иерархической структуре надсистем.
3. Выделение интегративных свойств композиционных матери ил ом как систем. Определение роли парадоксов целостности и иерархичности в задачах их синтеза.
4. Разработка иерархических структур композиционных специального назначения и их критериев качества.
5. Декомпозиция строительных материалов как систем при решении отдельных задач синтеза.
6. Моделирование кинетических процессов для оптимизации структуры и свойств композиционных материалов.
7. Разработка обобщенной модели кинетических процессов и параметрическая идентификация.
8. Объективизация оценок кинетических процессов с разработкой функционалов качества.
9. Приложение функционалов качества к однокритериальной оптимизации структуры и свойств эпоксидных композитов повышенной плотности. Определение рецептурно-технологических параметров.
10. Многокритериальный синтез композиционных материалов специального назначения на основе экспериментальных данных с различными способами преодоления неопределенностей целей и их сравнительный анализ.
11. Разработка методологических принципов синтеза композиционных материалов на основе системного подхода и моделирования кинетических процессов форм и (зона ния их структуры и свойств.
Эволюция представлений о композиционных материалах
Накопление экспериментальных данных, их обобщение, развитие технологий производства и повышение требований к качеству композиционных материалов способствуют развитию научных и прикладных основ строительного материаловедения, методологических принципов синтеза материалов. П.И. Боженов. анализируя становление технологии автоклавных материалов [2]. в эволюции представлений о композиционных строительных материалах выделил три этапа, различающихся методологией исследования и уровнем практических разработок Первый этап - зарождение новой технологии. Этому периоду соответствует начальное накопление данных, опыта и навыков производства нового материала. В технологии доминирует «рецептурный подход», а В исследованиях - метод «проб и ошибок» Управление таким технологическим процессом имеет интуитивный характер, основанный только на опыте технолога.
Второй этап - становление новой технологии І аівііпіс технологии на этом этапе основывается на обобщении накопленных данных, выявлении закономерностей влияния различных факторов на свойства материала. Исследования проводятся с привлечением фундаментальных наук. Формируются представления о влиянии управляющих факторов на структуру материала и ее взаимосвязи со свойствами. Проводится классификация управляющих факторов, из них выделяются доминирующие, объединенные в систему «рецептурно-технологические факторы». На этом этапе в материаловедении возникла теория искусственных строительных материалов, в том числе полиструктурная теория (изучение материала производится по схеме «рецептурно-технологические факторы - состав, структура - свойства»). Знания о технологии имеют эмпирический характер, не содержат обобщающих закономерностей, основанных на фундаментальных законах природы. Здесь при промышленном выпуске продукции, организации полуавтоматизированного управления производством главную функцию в принятии решения имеет человек - оператор. Такая организация производства допускает достаточно большие межпартионные колебания качества продукции.
На третьем этапе используется эффективная технология при научном владении производством. Здесь основополагающим принципом является получение строительного материала уже с заданным уровнем качества. Понятие «качества» расширяется и включает не только требования по изготовлению материала {технологическому процессу), но и его соответствие условиям эксплуатации изделия (эксплуатационные свойства и долговечность). В этом случае технология включает два взаимосвязанных цикла: технологический и эксплуатационный (рис. І.1). На каждом из циклов проводится оценка влияния управляющих воздействий на качество материала и при их отклонении от заданных параметров принимается решение об изменении рецептуры и условий изготовления материала (условий стру кту рообразован и я).
Системный подход
В настоящее время в связи с недостаточностью традиционных подходов формируется новая методология научных исследований. Среди них четыре фундаментальных и взаимно дополняющих друг друга подхода к научному познанию: системный, сннергетический, информационный и гомеостатиче-ский (рис.2-1), которые, учитывая их перспективность для синтеза композиционных материалов, и рассматриваются ниже.
Системный подход к научному познанию природы, общества и человека дал мощный импульс для развития в науке направления, известного под названием «теория систем». Главное научно-методическое значение системного подхода заключается в том, что он позволяет современным исследователям выявить и осознать принцип системности, проявляющийся практически во всех явлениях и процессах в природе и обществе и отдельно взятом человеке.
Системный подход представляет собой совокупность методов, средств, позволяющю: исследовать свойства, структуру и функции объектов, явлений или процессов в целом, представив их в качестве систем со всеми сложными межэ.че.ментными взаимосвязями, взаимовлиянием элементов на систему и на окружающую среду, а также влиянием самой системы на ее структурные элементы.
Исследование свойств, структуры и функции объекта как целостной системы
Доминирующая роль целого над частным, сложного над простым
Свойства системы не сводятся к сумме свойств ее элементов
Отношения между элементами порождают особое качество целостности - системное, интегративное
Система- совокупность моментов соединенных отношениями, порождающими шітегратшное качество (при его отсутствии сложный объект - не система)
Порядок и хаос взаимосвязаны н порождают друг друга
Как детерминизм, так и неопределенность и случайность - неотъемлемые свойства системы
Хаос не только полное разрушение структуры, но и источник нового тшвитня системы
Информация - мера порядка, противостоящего хаосу
Информация - мера сложности системы
Информация - характеристика внутреннего разнообразия
Информация - мера вероятностного выбора одной из возможных траекторий развития
Сохранение интегративиого качества - обший гомеостаз системы. Системный кризис - при предельно допустимых интегратнвных параметрах (зона бифуркации)
Определение механизмов управления системой для поддержания ее гомеостаза
Мир - объединение противоположностей; потеря устойчивости при нарушении их баланса Системный подход при исследовании любого сложного объекта, явления или процесса базируется на их целостном видении. Главной особенностью системного подхода является наличие доминирующей роли целого над частным, сложного над простым.
Системный подход показывает, что главные свойства и результаты деятельности системы любой природы, хотя и зависят существенным образом от состава и свойств составляющих ее элементов, но принципиально не могут быть познаны на уровне изучения только характеристик этих элементов [10, \\].
Для сложных технических объектов [12.13] именно целостное, синтетическое описание позволяет воедино связывать их различные стороны, ранее нередко рассматриваемые раздельно.
Существенное значение также имеют протекающие в системах процессы управления, требующие исследования систем в плане циркулирующей в них информации, поведения и выбора цели.
Система представляет собой совокупность взаимосвязанных элементов, которые объединены единством цели и функциональной целостностью, и при этом свойство самой системы не сводится к сумме свойств элементов.
Свойства системы как целого определяются не только свойствами его отдельных элементов, но и свойствами структуры системы. Для многих типов систем под структурой системы понимают:
- пространственное расположение всех ее элементов.
- совокупность устойчивых межэлементных связей и отношений элементов.
- внутреннее устройство.
- закон взаимодействия и взаимосвязи.
Иногда понятие структуры отождествляют с понятием организации системы. В простейшем случае структура системы представляется как
совокупность всех элементов, связей между этими елементами и отношений между ними.
Свойства системы не сводятся к сумме свойств составных элементов Любая система образуется в результате взаимодействия со-ставляющих ее элементов, причем это взаимодействие придает системе новые свойства, отсутствовавшие у отдельно взятых элементов. Поэтому количество свойств у системы больше, чем сумма свойств у отдельно взятых элементов; разница между ними - особые новые системные свойства. Функциональная целостность системы характеризует завершенность ее внутреннего строения. Совокупность взаимосвязанных структурных элементов образует систему только в том сгучае, когда отношения между элементами порождают новое особое качество целостности, называемое системным, или итпегративным качеством. Так, в термореле используются биметаллические пластины, состоящие из двух разных металлов. Работа такой пластины обеспечивается только при их прочном соединении (сцеплении) Здесь система (пластина) образуется из элементов (слоев металла) только при проявлении нового свойства - адгезии (сцепления).
Разработка иерархической структуры критериев качества радиационно-защитного композита
Системное мышление может рассматриваться как совокупность методов и способов исследования, описания и конструирования систем.
В материаловедении во многих случаях неявно уже использовался и используется системный подход. Композиционные материалы, будучи сложными системами, обладают системными атрибутами и являются системами. Налицо все указанные характерные признаки системы:
- наличие структуры.
- целостность совокупности элементов.
- наличие устойчивых связей между элементами, в том числе существенных, определяющих интегративные свойства системы.
При решении технологических задач с использованием принципов системного анализа технологический процесс рассматривается как сложная система, состоящая из элементов различных уровней детализации: от атомного до отдельного процесса.
Система состоит из взаимодействующих элементов. Сущность системы невозможно понять, рассматривая только свойства элементов; существенны как способ взаимодействия элементов, так и взаимодействия элементов (или системы) с окружающей средой. Анализ элементарных процессов, проводимый отдельно, не позволяет установить стадию технологического процесса (например, массоперенос вещества осуществляется на нескольких технологических переделах: при химической реакции взаимодействия вяжущего с активатором; при перемешивании компонентов, тепловой обработке и др.). Так же. как и анализ отдельных стадий процесса без выявления взаимосвязи между ними и с окружающей средой, не дает возможности судить обо всем технологическом процессе. При анализе технологического процесса можно выделить несколько уровней иерархии, между которыми существуют отношения соподчиненно-сти. Элементарные процессы технологии: химические, массообменные. тепловые, механические, гидромеханические и др. располагаются на первом уровне, а элементы, выделяющиеся по какому-либо признаку - на более высоких. При анализе отдельного процесса в качестве элементов или ступеней иерархии выступают явления, в совокупности определяющие целевую функцию процесса (например, химическое превращение, теплообмен и т.д). Основная идея системного анализа и здесь состоит в применении общих принципов декомпозиции системы на отдельные элементы и установление связей между ними, в определении цели исследования и определения этапов для достижения этой цели.
Системный подход к исследованию технологических процессов используется для получения оценок функционирования процесса на любом уровне декомпозиции и осуществляется в несколько этапов. Отдельный элемент системы в зависимости от поставленной цели рассматривается как отдельная система с более детализованными уровнями декомпозиции
Академиком В. В. Кафаровым выделяются четыре основных этапа системного исследования процесса [И]:
1. Смысловой и качественный анализы объекта, исходя из общей цели исследования и степени изученности процесса, для выявления уровней декомпозиции, отдельных элементов и связей между ними.
2. Формализация имеющихся знаний об элементах и их взаимодействии и представление этих знаний в виде математических моделей (структурная идентификация) с формализацией рассматриваемых процес сов для определения связей между входными и выходными параметрами.
3. Математическое моделирование процесса и определение адекватности модели. Адекватность (соответствие результатов моделирования экспериментальным данным) определяется уровнем знаний о процессе и обоснованностью принятых допущений. Математическая модель представляет собой совокупность математического описания и алгоритма решения, доведенной до конкретной реализации.
4. Идентификация математических моделей элементов. Математические модели сложных процессов (состоящих из нескольких элементарных) являются системами уравнений, представляющих детерминированные фундаментальные законы, отражающих только общий характер явления при совокупности ограничений и допущений. Реальные условия протекания процессов далеки от «идеальных» и поэтому модели содержат коэффициенты (параметры модели), определяемые экспериментально.
Условия действительности шрва9 ракїермстнческого полинома четвертого порядка
Как показывает практика, существуют системы, кинетические процессы в которых не могут быть описаны рассмотренными выше моделями первого и второго порядка. К таким системам, в частности, относятся некоторые полидисперсные системы. Так. например, кинетика набора прочности композиционного материала имеет иногда не одну, а две точки перегиба. В этом случае при идентификации кинетических процессов использовались модели четвертого порядка в классе обыкновенных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами; как и ранее с действительными корнями характеристического полинома. В связи с этим был доказан ряд теорем [74]. определяющих условия действительности корней характеристического полинома, которые использовались для определения (сужения) области моделирования. При этом на основе экспериментально полученных кинетических закономерностей формирования основных физико-механических характеристик композиционных материалов использовалась для их описания обобщенная динамическая модель [75-90]: кинетический процесс .V (I) является решением задачи Коши:
Таким образом, задача идентификации решена полностью [82].
Настройка модели может быть осуществлена с учетом влияния идентифицируемых параметров на характеристики кинетических процессов.
Некоторые виды процессов при различных значениях идентифицируемых параметров приводятся рис. 4.9-4.11.
Совершенно очевидно, идентифицируемые параметры А.,, Х2, х0 при оптимальных структуре и свойствах материала должны находиться в некоторых достаточно жестко ограниченных пределах.
Обобщением рассматриваемого процесса является процесс, приводимый на рис. 4.12 (например, кинетика саморазогрева эпоксидных композитов), который определяется как решение задачи Коши: z + 2nz + о 1 = 0, (z = x-xm; x = z + xm) r(0)= 0- m; i(0) = x0; M0) = 0) (при х0 = 0 получится предыдущий процесс).
Похожие диссертации на Разработка и управление качеством композиционных материалов специального назначения с использованием системного подхода и моделирования процессов формирования их структуры и свойств
