Аннотации номера

ОПТИЧЕСКИЕ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ, ОПТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

147
Предмет исследования. Рассмотрен метод проектирования линзы бокового свечения, работающей с одиночным светодиодным источником света и обеспечивающей формирование узкого светового пучка в горизонтальном направлении в пределах 360°. Метод. При проектировании использован метод композиции, который применяется для синтеза исходной конструкции систем, формирующих изображение. В работе данный подход применен к синтезу системы, задача которой заключается в обеспечении определенной формы и характеристик светового пучка. Этап выбора принципиальной конструкции и синтеза для неизображающей оптики особенно важен, для которой характерно применение так называемой локальной оптимизации. Результат оптимизации в данном случае существенно зависит от исходной системы. В связи с этим особенно важным является этап формирования начального приближения системы. При этом метод композиции может обеспечить наиболее эффективный выбор начального приближения для проектирования линзы бокового свечения. Основные результаты. Показано применение метода композиции и теории аберраций в области синтеза принципиальной схемы линзы бокового свечения. Приведено описание метода выбора ключевых параметров системы. Представлены соотношения для предварительной оценки характеристики проектируемой системы без использования трудоемких процедур расчета или оптимизации. Предложенный подход позволяет обеспечить выбор начальной точки системы для дальнейшей оптимизации, а также добиться высокой эффективности использования светового потока оптической системой линзы до 90 %. Это достигается только за счет оптимального размера зон, на которые разделяется пучок, а также за счет оптимального выбора параметров образующей кривой. При этом профиль линзы формируется двумя зонами, в каждой из которых профиль представляет собой кривую второго порядка, которую можно описать малым числом параметров, что удобно на этапе компоновки. Практическая значимость. Рассмотренный метод может найти применение при проектировании подобных систем, а также применяться на этапе предварительной оценки достижимых характеристик, что может существенно ускорить процесс разработки.
154
Предмет исследования. Исследованы параметры зон осаждения в результате воздействия лазерного излучения на поверхности оптического элемента. Для исследования созданы условия имитации внутреннего пространства лазерного излучателя, который содержит различные монтажные элементы. Определены возможности использования монтажных элементов в объеме герметичных неодимовых лазерных излучателей в процессе их эксплуатации. Метод. Разработана оригинальная установка, в состав которой входит YAG:Nd лазер с длиной волны излучения 1064 нм, энергией лазерного импульса 100 мДж, длительностью лазерного импульса 10–15 нс, частотой следования лазерных импульсов 10 Гц, и герметичная тест-кювета, внутри которой размещается монтажный элемент. При прохождении в течение 10 000 с лазерного излучения через пространство тест-кюветы летучие вещества, которые выделяются из материалов монтажного элемента, поглощают лазерное излучение и образуют на оптических элементах тест-кюветы зоны осаждения. Исследованы оптические, геометрические, цветовые параметры зон осаждения и их стойкость к действию растворителей. Основные результаты. Рассмотрено десять наиболее часто применяемых при создании герметичных неодимовых лазерных излучателей монтажных элементов. Определено, что провода с фторопластовой изоляцией, полиолефиновая термоусадочная трубка и индиевая фольга не создают зон осаждения на поверхности оптических элементов тест-кюветы. Установлено, что провода с силиконовой и фторполимерной изоляцией, оловянно-свинцовые сплавы (припои) с содержанием олова 61 % с канифолью и без нее, полиолефиновая термоусадочная трубка с клеевой основой и керамико-полимерные теплопроводящие диэлектрические материалы создают на поверхности оптических элементов тест-кюветы зоны осаждения. В связи с этим они не могут быть использованы в объеме герметичных неодимовых лазерных излучателей в процессе их эксплуатации. Практическая значимость. Полученные результаты могут быть востребованы при разработке и производстве устройств лазерной техники, в том числе для оценки возможности размещения материалов и монтажных элементов в объеме герметичных неодимовых лазерных излучателей.
163
В работе приведена классификация и представлено современное состояние антитепловизионной защиты объектов военной техники. В настоящее время повышение надежности работы таких объектов в боевых условиях — одна из ключевых задач. Выполнен анализ и рассмотрены перспективы развития существующих систем антитепловизионной защиты для движущихся объектов как важного фактора повышения их надежности. Показано, что наиболее перспективными являются системы антитепловизионной защиты активного типа. В работе предложено одно из направлений повышения надежности работы бронетехники и автотранспорта в современных условиях применения. В качестве примера, для бронетехники рассмотрена система антитепловизионной защиты, состоящая из активных охлаждающих модулей. Она может работать в двух режимах: скрытности и быстрого переохлаждения поверхности объекта («черная дыра»). В процессе работы антитепловизионной защиты использовано регулируемое охлаждение активных модулей жидким азотом. Разработаны конструкция и методика расчета параметров активных охлаждающих модулей. Преимуществами созданной антитепловизионной системы защиты объекта являются двухрежимная работа системы и использование заранее запасенного источника «холода», что позволяет обойтись без дополнительных затрат энергии в процессе работы. Предложенная система модульной активной антитепловизионной защиты может применяться для разных транспортных средств с соответствующей адаптацией под объект общей конструкции системы и модификации регулируемого охлаждающего активного модуля.

АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ И РОБОТОТЕХНИКА

172
Предмет исследования. В работе представлен метод улучшения параметрической сходимости и повышения качества переходных процессов в задаче прямой адаптивной компенсации мультисинусоидальных возмущений. Предложенный метод улучшает качество функционирования существующих алгоритмов и обеспечивает монотонность переходных процессов. Метод. Для оценивания параметров возмущения использовалась процедура динамического расширения регрессора с последующим применением дискретного градиентного алгоритма. Основные результаты. Доказана применимость схемы Крейссельмейера как алгоритма расширения в процедуре динамического расширения регрессора. Приведены результаты численного моделирования, иллюстрирующие улучшение переходных процессов оценивания параметров неизмеряемого возмущения при использовании процедуры динамического расширения регрессора. Практическая значимость. Результаты работы могут быть востребованы при решении практических задач в областях обработки и оценивания гармонических и мультигармонических сигналов, в частности при компенсации вибраций в электромеханических системах.
179
Рассмотрены вопросы развития теорий чувствительности и модальной чувствительности, робастности и грубости динамических систем. В современной теории динамических систем и систем автоматического управления возникает необходимость изучения свойств чувствительности, робастности и грубости систем во взаимосвязи. Прикладное значение теории чувствительности связано с проектированием и созданием высокоточных, малочувствительных систем. Наиболее существенные результаты при этом были достигнуты при разработке дифференциальных методов анализа и синтеза малочувствительных систем. Один из подходов к проблеме анализа и синтеза линейных систем малой параметрической чувствительности в пространстве состояний был разработан с применением функций модальной чувствительности или, иначе говоря, методом модальной чувствительности. В обзоре рассмотрены методы исследований и обеспечения робастной устойчивости интервальных динамических систем как алгебраического, так и частотного направлений робастной устойчивости. Приведены основные результаты оригинального алгебраического метода для непрерывного и дискретного времени. В разделе «Основные этапы развития теории грубости систем» изложены основные положения теории и метода топологической грубости динамических систем, основанного на понятии грубости по Андронову–Понтрягину. Приложения метода топологической грубости к синергетическим системам и хаосу использованы для исследований многих систем, таких как аттракторы Лоренца и Рёсслера, систем Белоусова–Жаботинского, Чуа, «хищник-жертва», бифуркации Хопфа, экономических систем Шумпетера и Калдора и др. Для исследований слабо формализуемых и неформализуемых систем предложено использование подхода аналогий теоретико-множественной топологии и абстрактного метода к таким системам. Дальнейшие исследования предполагают развитие теорий чувствительности, робастности, грубости и бифуркаций для сложных нелинейных динамических систем.

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ

191
Предмет исследования. Впервые выполнено численное моделирование и оптимизация вольтамперных характеристик принципиально нового однопереходного солнечного элемента на основе гетероструктуры InxGa1–xAs1–yNy/Si. Интеграция многокомпонентных слоев A3B5 и разбавленных нитридов A3B5N c кремниевыми подложками на данный момент является технологически сложным процессом. Несмотря на всю сложность данной интеграции существуют определенные предпосылки, которые возможно позволят получить слои InxGa1–xAs1–yNy с относительно низкой плотностью дефектов. Твердый раствор InxGa1–xAs1–yNy является перспективным для применения в оптоэлектронике, но в то же время малоизученным. Метод. Численное моделирование проводилось с помощью программного продукта AFORS HET v2.5. При расчете параметров солнечного элемента In0,02Ga0,98As1–yNy/Si изменялась концентрация азота y в диапазоне 0–5 %; толщина слоя In0,02Ga0,98As1–yNy варьировалась в пределах 0,3–0,8 мкм; степени легирования базы и эмиттера солнечного элемента менялись в интервале 1016–8·1019 см–3. Исследованы зависимости вольтамперной и спектральной характеристик от толщины и состава эмиттера, степени легирования слоев. Основные результаты. Показано, что солнечные элементы, состоящие из гетероперехода In0,02Ga0,98As0,98N0,02/Si, могут достигать эффективности 22,2 % при освещении AM1.5. Результаты моделирования влияния концентрации азота на величину эффективности солнечных элементов показали, что изменение концентрации азота от 0 до 5 % в слое In0,02Ga0,98As1–yNy приводит к снижению эффективности от 21,9 до 21,82 % соответственно. Этот факт прежде всего обусловлен снижением значения ширины запрещенной зоны эмиттера и, как следствие, уменьшением величины напряжения холостого хода солнечного элемента. Установлено, что увеличение концентрации примеси в эмиттере In0,02Ga0,98As0,98N0,02 в диапазоне 1016–8·1019 см–3 приводит к росту эффективности солнечного элемента с 17,11 до 21,89 %. При увеличении концентрации примеси в базе p-Si в интервале 1016–5·1017 см–3 наблюдается устойчивый рост эффективности вплоть до 22,2 %, а после — монотонное снижение до 10,87 % при концентрации примеси 5·1017 см–3. При снижении толщины эмиттера квантовая эффективность солнечного элемента увеличивается вследствие снижения числа фотогенерированных носителей заряда. Практическая значимость. В результате численного моделирования в программном продукте AFORS HET v2.5 определено, что напряжение холостого хода солнечных элементов на основе гетероструктуры n-In0,02Ga0,98As0,98N0,02/p-Si составляет 716,8 мВ, при плотности тока короткого замыкания 36,52 мА/см2, факторе заполнения — 84,81 % и эффективности 22,2 %.
Золь-гель синтез Gd2O3:Nd3+ нанопорошков и исследование их люминесцентных свойств
Муссауи А. ., Булыга Д. В., Кузьменко Н. К., Игнатьев А. И., Евстропьев С. К., Никоноров Н. В.
198
Предмет исследования. В работе приведены результаты золь-гель синтеза нанопорошков Gd2O3:Nd3+ цитратным методом. Исследованы их структуры и люминесцентные свойства. Предложена и опробована методика использования при золь-гель синтезе двух органических стабилизаторов, имеющих различную термическую устойчивость. Изучены люминесцентные свойства полученных Gd2O3:Nd3+ порошков в ультрафиолетовой и ближней инфракрасной областях спектра. Метод. Для синтеза материалов применен цитратный золь-гель метод. В качестве основных исходных компонентов использованы водные растворы нитратов металлов, а в качестве органических модифицирующих компонентов — лимонная кислота и поливинилпирролидон. Эти компоненты выполняли двойную функцию в процессе синтеза: выступали стабилизаторами формирующихся наночастиц в коллоидных растворах, а также выполняли роль «горючей» добавки, которая при сгорании в процессе термообработки материалов повышает температуру реакционной смеси. Для исследования процессов эволюции структуры материалов при синтезе использованы методы инфракрасной спектроскопии, дифференциально-термического и термогравиметрического анализов. Основные результаты. Кристаллические нанопорошки Gd2O3:Nd3+ получены низкотемпературным золь-гель методом при использовании лимонной кислоты и поливинилпирролидона в качестве стабилизаторов. Данные инфракрасной спектроскопии и дифференциально-термического и термогравиметрического анализов показывали, что формирование наночастиц Gd2O3:Nd3+ начинается на стадии сырого геля. Процесс эволюции развивается во время сушки и термообработки материалов. Показано, что применение двух органических стабилизаторов, имеющих различную термическую устойчивость, обеспечивает стабилизацию формирующихся наночастиц Gd2O3 на разных этапах синтеза в широком температурном диапазоне. При возбуждении синтезированных нанопорошков излучением с длиной волны 238 нм наблюдается люминесценция в ультрафиолетовой части спектра, определяемая электронными переходами в кристаллической матрице Gd2O3. Полученные Gd2O3:Nd3+ нанопорошки демонстрируют интенсивную фотолюминесценцию в ультрафиолетовой и ближней инфракрасной областях спектра. Практическая значимость. Экспериментальные данные, полученные в настоящей работе, могут быть применены при разработке технологических процессов производства люминофоров, а также люминесцентных материалов для нанотермометрии в медицине.

КОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

206
Предмет исследования. Предложен новый, практически эффективный метод обнаружения и оценивания координат центра изображения целевого объекта малого размера на зашумленной сцене. Метод является инвариантным к линейным конформным преобразованиям (поворот, сдвиг и масштаб). Метод. Рассмотрен бинарный классификатор, который принимает решение: содержит ли конкретный участок сцены искомое изображение или только фон? В основе предложенного подхода лежит интерактивная процедура поиска экстремума функции, которая аппроксимирует функцию правдоподобия бинарного классификатора. Для реализации поиска экстремума использована двухэтапная процедура на основании метода Нелдера–Мида. С целью обеспечения устойчивости к помехам и линейным конформным преобразованиям, при обучении классификатора применены как специальные методы обучения, так и подход, основанный на использовании ансамбля классификаторов, каждый из которых соответствует определенному масштабу. Основные результаты. Создан метод обнаружения размытого изображения объекта малого размера на сцене, зашумленной коррелированной помехой, с одновременным оцениванием координат центра искомого изображения. Метод устойчив к линейным конформным преобразованиям и успешно протестирован как на модельных, так и на реальных изображениях. Робастность метода к коррелированной помехе аддитивного типа, а также устойчивость к линейным конформным преобразованиям подтверждена результатами численного исследования. В рамках предложенного подхода, формально решена задача построения доверительного множества для координат центра искомого изображения, а также численно исследована эффективность полученного решения. Свойства доверительного множества оформлены в виде теоремы. Выполнено сравнение с классическим, корреляционно-экстремальным методом. При необходимости, предложенный метод легко обобщается на случай мультиклассовой постановки задачи. Практическая значимость. Метод может быть использован в системах машинного зрения, в том числе для оперативного анализа данных аэрофотосъемки, а также в системах видеоконтроля механического состояния сложного технического оборудования в условиях сильных метеорологических помех.
225
Предмет исследования. Представлены результаты разработки общедоступного веб-ориентированного инструментария, функционирующего в прогностическом и ретроспективном режимах и обеспечивающего пользователя интерактивным инструментом мониторинга пространственных данных на примере визуализации вероятности наблюдений полярных сияний. Метод. Предложен алгоритм веб-рендеринга пространственных изображений, обеспечивающего повышение реактивности веб-приложений за счет формирования визуализируемого слоя на серверной стороне, в отличие от известных подходов, когда задача интерполяции и генерации пространственного слоя решается на уровне клиента. Основные результаты. Выполнено описание архитектуры программной системы, отличительная особенность которой — комбинирование различных паттернов веб-программирования от монолитного приложения до микросервисного с элементами модульной архитектуры по типу «модель–представление–контроллер». Экспериментальные исследования позволили установить повышение скорости рендеринга пространственного изображения в среднем в 8,1 раза. Практическая значимость. Рассмотренный подход к визуализации применительно к геофизическим параметрам в области аврорального овала обеспечивает повышение эффективности исследования динамики, что дает возможность выявить новые знания о топологии магнитосферы, в том числе при ее изменениях во время геомагнитных бурь и суббурь.
234
Предмет исследования. Рассмотрены подходы к решению задачи выявления аномальных ситуаций в информационно-телекоммуникационных системах, на основе методов искусственного интеллекта, анализирующих статистическую информацию пакетов трафика в различных режимах и состояниях. Метод. Представленный метод выявления аномальной ситуации основан на обработке полученных кортежей значений пакетов сетевого трафика путем применения бэггинга алгоритмов классификации машинного обучения. Сетевой трафик рассматривается как множество кортежей параметров пакетов, распределенных по дискретам времени. В отличие от существующих, метод не требует специальной подготовки данных, получаемые ошибки при классификации кортежей значений пакетов отдельными алгоритмами классификации усредняются их «коллективным» голосованием. Предложенное решение с целью повышения показателя точности дает возможность использовать оптимизированные для разных видов событий и аномалий алгоритмы классификации, обученные на различных обучающих выборках, представленных в виде кортежей параметров сетевых пакетов. Различность алгоритмов достигается внесением дисбаланса в обучающие выборки. Основные результаты. Приведено описание эксперимента с использованием алгоритмов классификации машинного обучения Naïve Bayes, Hoeffding Tree, J48, Random Forest, Random Tree и REP Tree. Оценка выполнена на открытом датасете NSL-KDD при поиске паразитного трафика. Получены результаты оценки для каждого классификатора по отдельности и с применением бэггинга классифицирующих алгоритмов. Практическая значимость. Метод может быть применен в системах мониторинга информационной безопасности при анализе сетевого трафика. Особенностью предлагаемого решения является возможность его масштабирования и комбинирования путем добавления новых алгоритмов классификации машинного обучения. В дальнейшем в ходе функционирования возможно вносить изменения в состав алгоритмов классификации, что позволит улучшить показатели точности идентификации потенциального деструктивного воздействия.
241
Предмет исследования. Рассмотрены метрики, позволяющие оценивать устойчивость графа и меры центральности, на основе расчета которых осуществляется перколяция ключевых элементов графа. Метод. При проведении эксперимента использовались методы расчета среднего расстояния пути вершинной связности, коэффициента кластеризации и эффективности графа, на основе теории графов. Для определения оптимальной метрики устойчивости сети применен метод главных компонент, основанный на положениях теории математической статистики. Основные результаты. В работе решались две научные задачи: основная и вспомогательная. Вспомогательная задача — обзор существующих метрик устойчивости сети, позволивший выбрать оптимальную. Выбор метрики осуществлялся при помощи метода главных компонент. В результате показано, что оптимальной является среднее расстояние пути. Решение вспомогательной задачи позволило выполнить анализ способов снижения устойчивости сетей на основе последовательного удаления ключевых элементов, что и является основной научной задачей исследования. После проведенного анализа установлено, что наилучшим образом для снижения устойчивости сети подходят узлы, важность которых выражена на основе измерения центральности по степени. Практическая значимость. Для оценивания устойчивости сетей разработан оригинальный комплексный двухкритериальный коэффициент. Анализ способов снижения устойчивости проводился путем измерения этого коэффициента для модельных и реальных сетей. Таким образом, предложенные способы апробированы, подтверждена их работоспособность и возможное применение в различных областях науки и техники: социологии, медицине, физике и радиотехнике.
249
Предмет исследования. Рассмотрена задача построения модели устойчивого распределенного реестра, предназначенной для доказательства безопасности многомерного блокчейна. К модели предъявляется ряд требований, наиболее существенными из которых являются совместимость с существующими моделями и поддержка внешних транзакций. Метод. Предложенный подход основан на анализе существующих моделей, построенных с использованием фреймворка универсальной композиции и с учетом выявленных достоинств и недостатков. В качестве основы для построения моделей используется фреймворк универсальной композиции. Рассмотрены две модели: устойчивого распределенного реестра и связанного с ней протокола поиска и верификации внешних транзакций, предназначенные для доказательства безопасности масштабирования и процесса регистрации при использовании многомерного блокчейна. Модель устойчивого распределенного реестра является расширением моделей, с помощью которых была доказана безопасность достижения консенсуса — доказательств работы и доли владения. Модель дублирует их функции и дополнительно поддерживает проверку корректности внешних транзакций. Основные результаты. Показана совместимость модели с существующими решениями. Модель протокола поиска и верификации блоков и транзакций реализует идеальный функционал, предназначенный для верификации внешних транзакций. Доказано, что предложенная модель не нарушает существенные свойства безопасности устойчивого распределенного реестра при наличии внешних транзакций. Практическая значимость. Доказана совместимость представленных моделей с существующими аналогами, реализующими устойчивые распределенные реестры. Совместимость позволяет использовать теорему универсальной композиции при построении доказательства безопасности многомерного блокчейна и протокола поиска и верификации. Рассмотренный метод расширения существующих моделей для доказательства безопасности может быть использован для создания новых моделей, включающих в себя дополнительные функции, не используемые при доказательстве безопасности многомерного блокчейна.
Построение графов знаний нормативной документации на основе семантического моделирования и автоматического извлечения терминов
Муромцев Д. И., Шилин И. А., Плюхин Д. А., Баймуратов И. Р., Хайдарова Р. Р., Дементьева Ю. Ю., Ожигин Д. А., Малышева Т. А.
256
Предмет исследования. Предложено новое комплексное решение для автоматического анализа и идентификации терминов в нормативно-технической документации. Идентификация терминов в документации является актуальной задачей в цифровизации отрасли проектирования и строительства зданий и сооружений. В настоящий момент поиск и проверка требований нормативно-технической документации выполняется вручную, что влечет существенное количество ошибок. Автоматизация подобных задач позволит существенно повысить качество автоматизированного проектирования. Метод. Разработанный алгоритм основан на таких методах анализа естественного языка как токенизация, поиск лемм и основ слов, анализ стоп-слов, подсчет векторных представлений токенов и словосочетаний, частеречная и синтаксическая разметка и др. Основные результаты. Эксперименты по автоматическому извлечению терминов в нормативной документации показали большие возможности предложенного алгоритма для построения графов знаний в предметной области проектирования. Точность распознавания на примере 202 отобранных экспертами документов составила 79 % по совпадению наименований и 37 % по совпадению идентификаторов терминов. Это является сопоставимым результатом с известными подходами к решению данной проблемы. Практическая значимость. Результаты работы могут использоваться в системах автоматического проектирования на основе Building Information Modeling моделей, а также для автоматизации экспертизы проектной документации.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

267
Предмет исследования. Представлены результаты исследования деформационных свойств полимерных материалов. Рассмотрено воздействие температурного фактора, неучтенного ранее в моделировании и прогнозировании, на деформационные свойства полимерных нитей и влияние изменения температуры материала в процессе деформирования. Приведены выводы основных термодинамических функций для полимерных материалов. Метод. Рассмотрена энергетическая диаграмма, которая типична для полимерных материалов, дающих усадку. Пояснена «заторможенность» процесса восстановления, а также одинаковый уровень значений высокоэластической деформации при снятии нагрузки в процессе восстановления у полимерных нитей и пленок. На основании уравнения состояния полимерной нити и известных термодинамических тождеств определены основные термодинамические функции: внутренняя энергия, энтальпия и энтропия в зависимости от температуры и безразмерного напряжения. Рассмотрены случаи применения первого закона термодинамики к деформационным процессам. С позиций термодинамики рассмотрены основные режимы деформирования: ползучесть, релаксация напряжения и активное растяжение полимерных нитей и пленок. Объяснены явления, наблюдаемые экспериментально в ходе данных процессов. Сделан вывод о необходимости учитывать изменение локальной температуры. На основе модельного уравнения состояния полимерной нити и аналога уравнения Клапейрона–Клаузиуса получено выражение для температурного коэффициента давления материала. Основные результаты. Дано объяснение «заторможенности» процесса восстановления полимеров. Определены основные термодинамические функции для полимерного материала, которые учитывают изменяющуюся в процессе деформации температуру материала. Получен термодинамический коэффициент для политропного процесса. Практическая значимость. Температурный коэффициент дает возможность анализировать диаграммы растяжения в зависимости от скорости деформирования и скорости изменения температуры образца. Высокоэластическая часть деформации в термодинамических функциях выражена через упругую деформацию, определяемую механическим напряжением, которое может быть непосредственно измерено в ходе проведения эксперимента.
Одношаговый метод оптимизации колеса компрессора микротурбины
Булат . М., Чернышов М. В., Вокин Л. О., Курнухин А. А.
275
Предмет исследования. В работе исследована проблема ускорения проектирования оптимальных турбомашин. Для ее решения предложено применение методов математической оптимизации на начальном этапе проектирования. Цель исследования состояла в разработке и тестировании одношагового алгоритма проектирования оптимального колеса компрессора. Применение алгоритма дает решающее преимущество в сравнении с традиционным итерационным методом проектирования турбомашин. Задача проектирования турбомашины является многопараметрической и междисциплинарной, с различными требованиями, которые зачастую друг другу противоречат, вследствие этого может быть использовано сразу несколько критериев оптимальности одновременно. Метод. Традиционный метод заключается в проведении одномерного теплового и газодинамического расчетов и последующей доводки геометрии колеса при помощи численных расчетов путем варьирования лопаточного угла и высоты проточной части на выходе из колеса. Одношаговая глобальная оптимизация проводится с применением алгоритма роя частиц по одиннадцати варьируемым параметрам. Целевой функцией является полный термодинамический коэффициент полезного действия. Выполнено сравнение результатов расчета геометрии колеса центробежного компрессора традиционным последовательным методом и вновь разработанным методом глобальной оптимизации. Колесо компрессора имеет внешний диаметр 200 мм, диаметр втулки — 52 мм, частота вращения — 60 000 об/мин, требуемая степень сжатия — 3,7. В традиционном методе оптимизации варьируют лопаточные углы и толщину профиля в трех или четырех сечениях лопатки. Новизна разработанного одношагового алгоритма состоит в оптимизации изначально трехмерной формы всей проточной части лопаточной машины. Основные результаты. Тестирование алгоритма показало, что одношаговый метод глобальной оптимизации обеспечивает выигрыш в коэффициенте полезного действия примерно на 2 %. В сравнении с традиционным итерационным методом оптимизации затраты времени снижены в 6–18 раз. Практическая значимость. Предложенный метод может найти применение для проектирования турбомашин различных размерностей. Разработанный алгоритм может использоваться как основа создания внешних модулей различных существующих программных пакетов, таких как Ansys, Comsol и SolidWorks.
283
Предмет исследования. Сверхзвуковое и гиперзвуковое обтекание элементов летательных аппаратов сопровождается формированием сложной структуры течения, которая характеризуется наличием сильных ударных волн, волн разрежения, контактных разрывов, отрывом и присоединением потока. Для таких задач характерно взаимодействие ударных волн с вязкими пограничными слоями, которое носит достаточно сложный характер и во многом определяет эффективность летательных аппаратов. При обтекании сложных конструкций летательных аппаратов и их силовых установок в окрестности выпуклых угловых точек геометрии локально реализуются течения сжатия и расширения. Расчет косых скачков уплотнения, образующихся при обтекании угла сжатия, и простых волн расширения, формирующихся при обтекании угла расширения, входит как элемент решения многих задач на построение линий тока и поиска распределения давления на обтекаемой поверхности. Метод. На основе технологии адаптивных сеток предложена численная модель, предназначенная для исследования двумерных эффектов, возникающих при сверхзвуковом обтекании углов сжатия и расширения. Численное моделирование выполнено с применением моделей, таких как невязкая, ламинарная, турбулентная. В расчетах число Маха падающей ударной волны изменяется от 2 до 15, а угол разворота потока — от 5 до 15°. Число Рейнольдса, вычисленное по характеристикам невозмущенного потока, равно 105. Рабочий газ — воздух (показатель адиабаты — γ = 1,4). Основные результаты. Рассмотрена качественная картина течения при дифракции ударной волны на уступах различной геометрии. При взаимодействии ударной волны с углом сжатия наблюдается отрыв потока и формирование рециркуляционной области, а при взаимодействии ударной волны с углом расширения — расцентровка волны Прандтля–Майера. Проведено сравнение результатов расчетов с теоретическими данными по параметрам потока за фронтом ударной волны или веером волны разрежения. Практическая значимость. Исследования показали влияние эффектов вязкости и турбулентности на структуру течения и распределения характеристик потока при обтекании углов сжатия и расширения. Результаты моделирования могут найти применение при решении задач, связанных с проектированием воздухозаборников высокоскоростных летательных аппаратов при параметрических и оптимизационных расчетах газодинамических течений, возникающих в элементах двигательных установок сверх- и гиперзвуковых летательных аппаратов.
297
Предмет исследования. Впервые рассмотрена новая модель учета твердости материалов в упрощенном алгоритме оценки их износостойкости методом «block-on-ring» при испытаниях на машине трения. Данная работа имеет актуальное значение для изучения влияющих факторов на износ и является продолжением совершенствования указанного метода на основе рядов Тейлора и результатов тестирования ряда материалов в широком диапазоне твердости. Метод. Проблема решена путем корреляционного анализа зависимости твердости материалов по шкале Мооса от экспериментальных параметров износа, включая объемную износостойкость этих материалов. Основные результаты. Разработано полное программное обеспечение для реализации упрощенного варианта метода «block-on-ring» при испытаниях материалов на износ с учетом их твердости. Подтверждена высокая корректность и эффективность предложенной модели на примере увеличения твердости композита политетрафторэтилена с наполнением ультрадисперсным алмазом. Практическая значимость. Предложенная и обоснованная в настоящей работе модель взаимосвязи износостойкости и твердости материалов готова к применению при их испытаниях методом «block-on-ring» в производственных условиях.
303
Предмет исследования. Разработан метод обработки когерентных короткоимпульсных сверхширокополосных сигналов, отраженных от некоторой зоны ответственности, который позволяет оценить распределение отражательных характеристик по этой зоне. Для реализации метода используется множество приемных датчиков интегрального типа и один источник зондирующих когерентных короткоимпульсных сверхширокополосных сигналов, облучающий зону ответственности. Метод. Решение задачи оценивания распределения отражательных характеристик по зоне ответственности строится на принципах многоканальной томографии. Основу этого подхода составляет формирование уравнения отображения и дальнейшее его решение. Существенным фактором, влияющим на решение данной задачи, является нестационарность зондирующего сигнала. С учетом этого фактора разработан метод формирования расширенного уравнения отображения, которое позволяет оценивать распределение отражательных характеристик при использовании нестационарных зондирующих сигналов. Основные результаты. Исследованы три метода оценивания распределения отражательных характеристик по формируемому расширенному уравнению отображения: винеровское оценивание, метод псевдообращения и матрично-итерационный метод. В ходе компьютерных экспериментов получены зависимости ошибок оценивания от ошибок измерений при различной степени заполненности зоны ответственности отражающими элементами. Наилучшие результаты показал метод винеровского оценивания и матрично-итерационный метод. Разработанная математическая модель распространения зондирующего сигнала отображает эффект изменения формы зондирующих импульсов при отражении их от зоны ответственности. Практическая значимость. Полученные результаты позволяют с помощью нестационарных сверхширокополосных зондирующих сигналов исследовать распределение отражательных характеристик в пространстве.
Информация 2001-2021 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика