Научный архив: статьи

Представлены результаты теоретического исследования и компьютерного моделирования в MathCAD различных физических аспектов механического столкновения движущихся тел. Выявлены причины нежелательных эффектов численного моделирования и предложены методы их устранения. Обоснована необходимость и предложен метод возврата столкнувшихся тел в точку касания. Получены зависимости скоростей отскока тел от коэффициента восстановления и условие их «слипания» при абсолютно неупругом столкновении.

Представлены результаты разработки цифровых моделей для определения электромагнитных влияний (ЭМВ) тяговых сетей (ТС) с разной структурой на параллельно проложенный трубопровод наземной прокладки. Для их реализации применялся программный продукт Fazonord, версия 5.3.3.0-2024, позволяющий определять ЭМВ ТС различного конструктивного исполнения на находящиеся вблизи трассы железной дороги протяженные проводящие сооружения, в частности, стальные трубопроводы. Моделирование осуществлялось для системы электроснабжения горно-перевального участка общей протяженностью 76 км. В ее состав входили следующие элементы: две линии электропередачи 220 кВ; пять ЛЭП 110 кВ и столько же подстанций с трансформаторами ТДТНЖ-40000-115/27,5/11; тяговые сети 27,5 кВ пяти межподстанционных зон. В модель ТС второй зоны был включен стальной трубопровод, проложенный на расстоянии 50 м и имеющий стационарные заземлители по краям с сопротивлением 1 Ом. Также учитывалось распределенное заземление путем формирования цепочечных схем замещения. Рассматривались следующие структуры ТС: раздельная, узловая, встречно-консольная и параллельная. Тяговые нагрузки создавались грузовыми поездами массой 4 084 и 6 000 т. Электромагнитные поля, генерируемые ТС, создавали на деталях сооружения напряжения, превышающие допустимую величину 60 В. Обеспечить их снижение можно установкой дополнительных заземлителей, увеличением ширины сближения, монтажом экранирующих проводов, а также отсасывающих трансформаторов. Предложенная методика предназначена для использования в проектировании и эксплуатации при разработке рациональных способов уменьшения ЭМВ ТС с целью обеспечения безопасности персонала и надежной работы средств защиты труб от коррозии.

Развитие искусственного интеллекта практически во всех сферах человеческой интеллектуальной деятельности предполагает расширение инструментов инженерного анализа, а также увеличение темпов роста программного обеспечения в области машиностроения. Главным преимуществом этого станет сокращение экономических затрат на разработку машиностроительной продукции, ее физические испытания и отбраковку физических прототипов. В данной статье представлены результаты моделирования растравленного слоя поверхности быстрорежущей стали Р6М5 в результате воздействия на нее электрических факторов процесса резания и электролита. Созданы контактирующие поверхности - модель алмазного зерна как элемент алмазного шлифовального круга и модель обрабатываемой поверхности быстрорежущей стали Р6М5 как элемент металлорежущего инструмента. Для решения задачи контактного взаимодействия при комбинированной электроалмазной обработке двух ювенильных поверхностей была выбрана универсальная программная система конечно-элементного анализа Ansys Workbench. Основное моделирование процесса резания было проведено на трех величинах глубины резания t: 0,01; 0,02 и 0,03 мм/дв.ход. Было учтено влияние на модель обрабатываемой поверхности двух электрических факторов обработки - плотности тока правки iпр = 0,25 А/см2, плотности тока растравливания iтр = 6,25 А/см2 и воздействие электролита. Были учтены результаты сравнительного анализа химического состава передней поверхности быстрорежущих пластин до и после электрохимической обработки. Сделан вывод о том, что характеристики растравленного слоя во время комбинированной электроалмазной обработки уменьшаются в своих свойствах примерно на 10 %, что и вызывает эффект растравливания поверхности. В результате комплексных исследований была решена задача выбора и моделирования такой структуры, которая бы имитировала механические свойства материала растравленного слоя обрабатываемой поверхности быстрорежущей стали при комбинированной электроалмазной обработке. Моделирование показывает, что оптимальная глубина резания t должна находиться в пределах 0,015-0,020 мм/дв.ход. В этом случае происходит менее нагруженный напряжениями процесс резания с полноценным стружкообразованием. Полученные результаты моделирования можно применять для дальнейшего прогнозирования, например, качества обработанной поверхности путем подбора технологических режимов обработки, на которых происходит активация процесса самозатачивания алмазных зерен.

В целях предупреждения возникновения аварийной ситуации на предприятиях нефтяной и газовой промышленности необходимо применять системы регулирования, автоматизации и сигнализации. В этой связи в последнее время все большую популярность набирают технологии искусственного интеллекта. Особенный интерес представляют нейронные сети. Для реализации задачи регулирования, автоматизации и прогнозирования технологических процессов нефтяной промышленности возможно применение нейросетевого моделирования химико-технологических процессов. Приведены примеры использования нейросетевого моделирования на практике. Представлены результаты нейросетевого моделирования установки замедленного коксования одного из действующих предприятий. Смоделирована установка замедленного коксования в программном комплексе UniSim Design, которая позволила получить исходный массив данных для нейронной сети. Нейросеть была построена в программе MatLab, создан код программы. Представлены графики погрешности, регрессии. Приведен анализ результатов, представленных на графиках регрессии и погрешности. В результате тестирования модели было получено минимальное расхождение экспериментальных и предсказанных данных, что говорит об адекватности нейросетевой модели. Также было произведено дополнительное тестирование программы. Представлены результаты обучения и тестирования модели. Полученные результаты в дальнейшем могут быть использованы для создания программ на разных уровнях управления, т. к. модель позволяет оценить количество потерь в период работы установки при определенном расходе питательной воды, подаваемой на установку в качестве турболизатора.

На протяжении последних десятилетий одной из ключевых проблем эксплуатации магистральных нефтепроводов является образование асфальтосмолопарафиновых отложений (АСПО) и их оседание на внутренней стенке трубопроводов при перекачке высокопарафинистой нефти. Данный процесс характерен как для новых месторождений, расположенных в Западной Сибири, так и для находящихся на III стадии разработки месторождений с высокой степенью разведанности и постепенно снижающимся объемом добываемой нефти и ее качеством. Процесс парафинизации труб является негативным фактором как для процессов транспорта нефти, так и последующей диагностики магистральных нефтепроводов, снижая надежность нефтетранспортной системы. На сегодняшний день на практике борьба с АСПО осуществляется по двум направлениям: удаление сформировавшихся отложений путем пропуска внутритрубных очистных устройств и предотвращение их образования путем применения соответствующих ингибиторов. По результатам исследований, проведенных рядом ученых, в том числе авторами статьи, была рассмотрена и подтверждена экономическая обоснованность идеи об эффективности использования формируемого слоя АСПО на внутренней стенке трубопровода как дополнительного внутреннего теплоизоляционного слоя. На данный момент в промышленной эксплуатации отсутствует устройство, конструктив которого позволяет сформировать равномерный слой АСПО.

Проблема распределения и эксплуатации парковочных мест является важной частью исследований в области интеллектуального транспорта. В последние годы в связи с резким увеличением числа автомобилей выразилась проблема ограниченности ресурсов парковочных мест. Эффективное управление парковками требует анализа огромного массива данных и проведения моделирования для оптимизации использования парковочных мест. Внедрение и функционирование умного платного парковочного пространства в г. Владивостоке создает интересную прикладную область для интеллектуального анализа данных и машинного обучения. В исследовании используются масштабный набор данных об исторических транзакциях по парковке во Владивостоке, включая тип транспортного средства, время, местоположение, продолжительность сессии и другие критерии для создания модели данных, отражающей взаимосвязь между ценами на парковку, спросом и доходами. В статье описывается механизм создания модели данных, включающей в себя все важные аспекты функционирования платных парковок и факторы, влияющие на заполняемость. Использование этой модели позволит проводить машинное обучение, применять модели и оценивать эффективность их применения. Исследование также определяет ключевые факторы, влияющие на спрос на парковку, такие как время суток, день недели, местоположение и др. Модель данных и идеи, полученные в результате этого исследования, могут быть использованы правительствами и собственниками для оптимизации использования платных парковок и улучшения управления дорожным движением в умных городах. Подход, представленный в этой статье, можно применить к другим городам для создания систем ценообразования на основе данных, отвечающих конкретным потребностям и характеристикам каждого города.

В статье приведены результаты применения метода акустической эмиссии (АЭ) и алгоритмов машинного обучения в задаче диагностики дефектов расслоения структуры многослойной печатной платы (МПП). Для решения поставленной задачи применяется комбинация физического и вычислительного экспериментов. Для проведения натурных испытаний в исследовании используется вибростенд для формирования нагрузки на испытуемый объект и получения сигналов акустической эмиссии. Вычислительный эксперимент проводится с помощью математического моделирования в специализированной среде ABAQUS. Для получения наилучшего решения задачи в ходе эксперимента решается оптимизационная задача по определению частоты гармонического сигнала, формируемого вибростендом, для получения максимального отклика исследуемой МПП и однозначной идентификации дефекта расслоения. В численных экспериментах были промоделированы воздействия и реакции (сигналы АЭ) МПП при различных частотах входных вибросигналов, лежащих в диапазоне от 100 до 2000 Гц. Натурные эксперименты проводились в лаборатории контроля и испытаний радиоэлектронных средств кафедры КПРЭС РТУ МИРЭА. Результаты исследования показали, что наиболее эффективной для обнаружения дефекта расслоения является частота вибрационного воздействия, равная 1500 Гц (дефект почти прямоугольной формы размером 30×37 мм). В дальнейшем это было подтверждено корреляционным анализом, позволившим выявить максимальные различия между сигналами акустической эмиссии годного образца МПП и образца с внесенным дефектом расслоения для входного вибровоздействия заданной частоты. Вторая часть исследования посвящена обработке результатов физического и вычислительного экспериментов, установлению степени адекватности полученных математических моделей реальным образцам МПП и процессам, протекающим в них, а также применению алгоритмов машинного обучения для более достоверной диагностики дефектов МПП. В представленном исследовании в качестве алгоритмов машинного обучения применялись методы случайного леса и опорных векторов (SVM). По результатам их выполнения была оценена точность работы двух алгоритмов.

В сложных энергетических системах используется большое количество различных потребителей с нелинейной нагрузкой, в основном являющихся сложными техническими и дорогостоящими устройствами. Из-за нелинейности нагрузки таких потребителей в сети возникают электромагнитные помехи, которые негативно влияют на работу. Вследствие их воздействия зачастую могут значительно снижаться качество сигналов и питания, а также срок службы устройств. Из-за электромагнитных помех, возникающих в слаботочных сигналах управления силовыми элементами, существует вероятность возникновения короткого замыкания в преобразователях частоты, которое приводит к полному выводу устройства из строя. Для снижения влияния электромагнитных помех на приборы зачастую применяют пассивную либо активную фильтрацию. Данная статья посвящена разработке и проектированию экспериментального образца активного фильтра для использования его в слаботочных цепях преобразователей частоты, а также разработке алгоритма работы системы управления активным фильтром. Метод исследования заключался в обзоре существующих решений, чтобы понять, как работают алгоритмы на других устройствах. Система управления, под которую разрабатывался алгоритм, реализована на отладочной платформе STM32F411E-DISCO. Такое решение позволит преодолеть проблемы, возникающие в процессе реализации устройства активного фильтра. Алгоритм работы для данного фильтра разрабатывался в программном комплексе MATLAB, благодаря чему нет необходимости в его дальнейшем переводе в код на языке С++, который загружается в микроконтроллер.

Обеспечение комфортных условий труда на рабочих местах становиться все более актуальным и необходимым. Одной из распространённых плодовых культур Южной Степи Запорожской области является черешня. Получение качественных плодов черешни довольно сильно коррелирует со степенью адаптивности выращиваемых сортов, которая определяется погодно-климатическими факторами региона. В данной работе предложено математическое моделирование соотношения температур окружающей среды со временем завершения биологического покоя черешни. Предложенная модель позволяет на основании входных метеорологических данных установить точку завершения биологического покоя у исследуемого сорта плодовой культуры. Модель использует единицы охлаждения, которые напрямую зависят от температуры. В статье описан программный комплекс, с помощью которого реализован алгоритм математического моделирования. Данный программный комплекс позволяет получить расчетные данные: предельные количественные значения единиц охлаждения CU; продолжительность процесса накопления установленного контрольного уровня охлаждения; дату окончания срока пребывания плодовых культур в состоянии анабиоза

Анализ временных рядов и прогнозирование являются одной из широко исследуемых областей. Идентификация с помощью различных статистических методов, нейронных сетей или математических моделей уже давно используется в различных областях исследований от промышленности, до медицины, социальной сферы, аграрной среды. В статье рассматривается параллельный вариант алгоритма идентификации параметров квазилинейного рекуррентного уравнения для решения задачи регрессионного анализа с взаимозависимыми наблюдаемыми переменными, основанный на обобщенном методе наименьших модулей (GLDM). В отличие от нейронных сетей, широко используемых в настоящее время в различных системах прогнозирования, данный подход позволяет в явном виде получать качественные квазилинейные разностные уравнения, адекватно описывающие рассматриваемый процесс. Это позволяет повысить качество анализа изучаемых процессов. Существенным преимуществом модели, использующей обобщенный метод наименьших модулей, по сравнению с многочисленными нейросетевыми подходами является возможность интерпретации коэффициентов модели с точки зрения задачи исследования и использование полученного уравнения в качестве модели динамического процесса. Проведенные вычислительные эксперименты с использованием временных рядов показывают, что максимальное ускорение алгоритма происходит при использовании количества потоков, равного половине возможных потоков для данного устройства.

Объектом исследования является совместная работа опорной металлической плиты базы колонны с нижерасположенной железобетонной плитой столбчатого фундамента на естественном основании в условиях реконструкции промышленного здания.
Цель работы состоит в получении напряженно-деформированного состояния опорной металлической плиты в базе колонны, железобетонной плиты столбчатого фундамента, а также значения контактных усилий между ними и характера их распределения по контактной плоскости.
Методы. Расчетное обоснование совместной работы опорной металлической плиты базы колонны с нижерасположенной железобетонной плитой столбчатого фундамента выполнено моделированием в программном комплексе Ing+2021 MicroFe с разработкой расчетной конечно-элементной пространственной модели.
Результаты. Получены напряженно-деформированное состояние двух контактных несущих элементов базы металлической колонны и совместная работа их взаимодействия, что позволило разработать рекомендации по восстановлению эксплуатационной пригодности бетона железобетонной плиты столбчатого фундамента в контурной зоне опорной металлической плиты колонн при реконструкции промышленного здания.

Аппроксимация передаточной функции звена чистого запаздывания с помощью минимально-фазовых звеньев представляет существенный теоретический интерес и также может быть полезным в практическом плане. Смысл такой аппроксимации состоит в отыскании возможностей применения хорошо развитого и продолжающего развиваться инструментария аналитических методов синтеза регуляторов к задачам управления объектами, содержащими в своей математической модели звенья чистого запаздывания. Разумеется, аппроксимация всегда неточна, но вопрос обеспечения достаточной точности всегда может быть решён путем использования модели более высокого порядка, коль скоро с ростом порядка модели уменьшается погрешность аппроксимации. Как правило, в литературе обсуждают модели аппроксимаций Тейлора и Паде, отдавая явное предпочтение модели Паде. Против этой модели можно выдвинуть такие возражения, как наличие существенного по величине отклика на выходе такой модели в момент поступления на её вход входного сигнала, что явно не соответствует реальному звену запаздывания ни в коей мере. Кроме того, отклик такой модели на ступенчатый скачок содержит большое количество колебаний в обратном направлении, чего также нет в отклике звена запаздывания. Данная статья ставит целью найти лучшую аппроксимацию в классе фильтров низкой частоты. В литературе найдено определение полиномов, получаемых методом численной оптимизации задачи отыскания наилучшего отклика при условии, что старший и младший коэффициенты этих полиномов равны единице. Эти полиномы, получившие название полиномов Чегорского, могут быть после некоторого масштабного преобразования в частотной области использованы для создания нового ряда полиномов, которые целесообразно использовать в знаменателе передаточной функции искомых фильтров, поскольку получаемые таким образом фильтры наилучшим образом отвечают поставленной задаче. Ранее эти полиномы были рассчитаны до 12 порядка включительно, расчетов для более высоких порядков в литературе нет. Причиной этому могли быть технические трудности решения задачи многопараметрической оптимизации, либо недостаточный интерес к полиномам высших порядков, поскольку о таком их применении не было известно. Данная статья решает задачу отыскания указанных полиномов до 26 порядка включительно, что даёт инструментарий для аппроксимации звена чистого запаздывания фильтрами низких частот со всеми положительными коэффициентами.