Аннотации номера

ОБЗОРНАЯ СТАТЬЯ

1
Рассматриваются концепции и методы визуального представления результатов численных исследований задач механики жидкости и газа. Трехмерность моделируемого нестационарного течения создает существенные трудности для визуального представления результатов, затрудняя контроль и понимание численных данных, а также работу и обмен с полученной информацией о поле течения. Обсуждаются подходы к визуализации вихревых течений с использованием градиентов основных и производных скалярных и векторных полей. Дается обзор методов визуализации вихревых течений, использующих различные определения вихря и критерии его идентификации. Приводятся примеры визуализации решений ряда задач газовой динамики, связанных с расчетами течений в струях и в кавернах. Развиваются представления о вихревой структуре свободной неизотермической струи и формировании когерентных вихревых структур в слое смешения. Проводится анализ закономерностей формирования пространственных потоков внутри крупномасштабных вихревых структур в пределах замкнутого пространства кубической каверны с подвижной стенкой. На основе численных расчетов находятся особые точки вихревого течения жидкости в кубической каверне, определяется их тип и местоположение в зависимости от числа Рейнольдса. Расчеты проводятся с использованием подробных сеток и современных подходов к моделированию вихревых течений (прямое численное моделирование и моделирование крупных вихрей). Для визуального представления результатов численного моделирования применяется парадигма графического программирования и виртуальная среда COVISE. Приложение, реализующее визуализацию задачи, представляется в виде сети, звеньями которой являются модули, каждый из которых предназначен для решения специфической задачи. Взаимодействие между модулями осуществляется при помощи входных и выходных портов (прием и передача данных), что позволяет использовать различные устройства ввода и вывода данных.

ФОТОНИКА И ОПТОИНФОРМАТИКА

11
Исследуются многослойные системы с метаматериалами. Рассмотрена система, состоящая из конечного числа параллельных чередующихся слоев метаматериала и вакуума. Ставится задача поиска функции Грина для рассматриваемой системы в условиях NIM-ситуации. Под NIM-ситуацией понимаются условия, при которых диэлектрическая и магнитная проницаемости равны –1 в метаматериале и +1 в вакууме. Рассмотрены классические уравнения Максвелла для точечного источника, находящегося в одном из слоев метаматериала данной системы. Получено дифференциальное уравнение для электрической p-поляризованной составляющей скалярной функции Грина в каждом слое. Поставлены стандартные краевые условия на границах каждого слоя. Решение находится через фундаментальную систему решений с неизвестными коэффициентами. Для вычисления неизвестных коэффициентов выбран подход рекуррентных соотношений. Он очевиден в использовании и удобен для анализа получающихся решений. С помощью метода производящих функций найдены общие формулы для решений данных соотношений в условиях NIM-ситуации. Получены формулы для искомой функции Грина в каждом слое в условиях NIM-ситуации. s-поляризованная составляющая может быть найдена аналогичным путем. Имея выражения для электрической скалярной функции Грина, нетрудно найти ее векторную форму с помощью стандартных преобразований. Полученные результаты могут быть использованы при моделировании систем суперлинз и многослойных NIM-покрытий.
18
Рассмотрен последовательный метод Монте-Карло применительно к задаче оценивания параметров интерферометрических сигналов, основанный на статистической аппроксимации апостериорной плотности вероятности распределения параметров. Приведено детальное описание алгоритма. Показана возможность использования минимума невязки предсказания и наблюдения в качестве критерия отбора элементов генерируемого на каждом шаге алгоритма множества векторов параметров. Проведен анализ влияния входных параметров на качество работы алгоритма. Получено, что среднее квадратичное отклонение ошибки оценки амплитуды типичных сигналов составило около 10% от максимального значения амплитуды. Показано, что ошибка оценки фазы имеет нормальное распределение. Проведен анализ характеристик работы алгоритма в зависимости от входных параметров, в частности, проведен анализ влияния количества отбираемых векторов параметров на результаты оценивания. На основании результатов моделирования для рассмотренного класса сигналов рекомендуется отбирать 30% от количества генерируемых векторов. Увеличение количества генерируемых векторов более 150 не влечет за собой значительного улучшения качества получаемых оценок. Последовательный метод Монте-Карло рекомендуется к использованию при динамической обработке интерферометрических сигналов для случаев, когда требуется повышенная устойчивость к нелинейностям изменения параметров сигнала и влиянию случайных помех.

ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ

24
Исследованы особенности применения методов эллипсометрии и ультрафиолетовой спектрофотометрии при механической и химической обработке поверхности элементов оптотехники, изготовленных из кварцевого стекла. В качестве техники эксперимента использован эллипсометр ЛЭФ-3М-1, спектрофотометр СФ-26 и интерферометр МИИ-4 с широко известными техническими характеристиками. Методом элллипсометрии измерялись поляризационные характеристики отраженного светового пучка; методом фотометрии измерялся коэффициент пропускания излучения в ультрафиолетовой области спектра; методом интерферометрии измерялась толщина поверхностного слоя при травлении кварцевого стекла.На основе уравнения эллипсометрии для отражающей системы «неоднородный слой–неоднородная подложка» разработан метод HF-секционирования неоднородного поверхностного слоя полированного кварцевого стекла. Метод позволяет провести измерения и анализ оптических характеристик системы неоднородных слоев на неоднородной подложке и реконструировать оптический профиль поверхностных слоев при химической обработке поверхности кварцевого стекла.Для определения изменения показателя преломления по глубине слоя используется аппроксимация экспериментальных значений поляризационных характеристик системы однородных слоев. Неоднородный поверхностный слой полированного кварцевого стекла состоит из области (толщиной до 20 нм) с показателем преломления слоя меньше показателя преломления кварцевого стекла и области (толщиной до 0,1 мкм) с показателем преломления слоя больше показателя преломления кварцевого стекла. Методами эллипсометрии и фотометрии определены технологические условия и оптические характеристики неоднородных слоев при химической обработке кварцевого стекла для оптических элементов с минимальными потерями излучения в ультрафиолетовой области спектра.

АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ И РОБОТОТЕХНИКА

30
Рассматривается проблема построения механизмов защиты мультиагентных робототехнических систем от атак со стороны роботов-диверсантов. Проведен анализ функционирования таких систем с децентрализованным управлением. Рассмотрен класс так называемых мягких атак, использующих перехват сообщений, формирование и передачу коллективу роботов дезинформации, а также осуществляющих иные действия, которые не имеют идентифицируемых признаков вторжения роботов-диверсантов. Проведен анализ существующих моделей информационной безопасности мультиагентных информационных систем, основанных на вычислении уровня доверия в процессе взаимодействия агентов. Предложена модель информационной безопасности, в которой роботы-агенты вырабатывают уровни доверия друг к другу на основе анализа ситуации, складывающейся на k-м шаге итерационного алгоритма, с использованием бортовых сенсорных устройств. На основе вычисленных уровней доверия осуществляется распознавание объектов категории «диверсант» в коллективе легитимных роботов-агентов. Для увеличения меры сходства (близости) объектов, относящихся к одной категории («диверсант» или «легитимный агент») предложен алгоритм вычисления репутации агентов как меры сформировавшегося во времени общественного мнения о качествах того или иного агента-субъекта. Рассмотрены варианты реализации алгоритмов выявления диверсантов на примере базового алгоритма распределения целей в коллективе роботов.
ИНТЕРВАЛЬНЫЙ НАБЛЮДАТЕЛЬ ДЛЯ МОДЕЛИ БИОЛОГИЧЕСКОГО РЕАКТОРА Харьковская Т. А., Кремлев А. С., Сабирова Д. М., Ефимов Д. В., Раисси Т. .
39
Рассматривается метод построения интервального наблюдателя для нелинейных систем с параметрической неопределенностью. Задача синтеза интервального наблюдателя для систем с переменными параметрами сводится к следующему: если задан интервал неопределенности для значений состояния системы, ограничивающий начальные условия системы и множество допустимых значений для вектора неизвестных параметров и входов, то условие существования интервала оценок переменных состояния системы, в котором содержится фактическое значение состояния в данный момент времени, также должно выполняться на всем рассматриваемом временном интервале. Показаны условия построения интервальных наблюдателей для рассматриваемого класса систем: ограниченность состояния и входа, существование мажорирующей функции, задающей вектор неопределенностей системы, Липшицева непрерывность или ограниченность этой функции, существование коэффициента усиления наблюдателя с соответствующей матрицей Ляпунова. Основное условие построения подобного устройства оценки связано с кооперативностью динамики ошибки интервальной оценки. Рассматривается вопрос выбора индивидуальной матрицы усиления наблюдателя. Для обеспечения свойства кооперативности динамики ошибки интервальной оценки предлагается статическое преобразование координат. Результат работы метода продемонстрирован с помощью компьютерного моделирования системы биологического реактора. Возможными областями применения подобных систем интервального наблюдения являются области робастного управления, где предполагается наличие различного рода неопределенностей в динамике системы, биотехнологические и экологические системы и процессы, мехатроника, робототехника и др.
46
Рассматривается модернизированная процедура синтеза оптимальной в квадратичном смысле системы управления линейным объектом с упругими связями. Синтез стандартной оптимальной в квадратичном смысле системы управления предполагает выбор матриц штрафа квадратичного функционала. При этом показатели качества оптимальной системы сильно зависят от конкретного выбора этих матриц. Трудоемкая процедура подбора матриц штрафа заменяется выбором желаемой степени устойчивости оптимальной системы. В основе предлагаемого метода лежит идея, при которой в задаче синтеза оптимального управления вместо оригинальной матрицы состояния объекта управления используется новая матрица состояния. Собственные числа новой матрицы состояния расположены правее собственных чисел оригинальной матрицы на заданном расстоянии. Такая методика проектирования позволяет для матрицы состояния замкнутой системы получить собственные числа, сдвинутые влево от комплексной оси на заданное расстояние, другими словами, получить гарантированную степень устойчивости системы. Предложенный метод проектирования алгоритма управления продемонстрирован на примере синтеза оптимальной системы управления электропривода с двухмассовым механизмом. Параметры объекта управления вычислены по амплитудно-частотной характеристике, полученной в ходе эксперимента идентификации. При проектировании оптимальной системы управления для оценки неизмеряемых переменных состояний объекта управления использовался наблюдатель пониженной размерности.

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ

НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИЙ МОЛЕКУЛЯРНЫЙ КРИСТАЛЛ НА БАЗЕ 2,6-DIAMINOPYRIDINE: СИНТЕЗ, ХАРАКТЕРИЗАЦИЯ Павловец И. М., Фокина М. И., Драгута С. И., Тимофеева Т. В., Денисюк И. Ю.
52
Представлены исследования нового нелинейно-оптического материала на основе нелинейно-оптической хромофоры (4-Nitrophenol) и аминопиридина (2,6-Diaminopyridine). Представлены результаты расчетов упаковки молекул в кристаллическом соединении на основе данных компонент, согласно которым конечное вещество должно иметь нецентросимметричную кристаллическую решетку, что предопределяет наличие нелинейно-оптического отклика второго порядка. Проведенные в настоящей работе исследования подтверждают эти расчеты. Приведены результаты экспериментов по со-кристаллизации компонент и по последующей рекристаллизации полученного вещества для получения формы монокристаллов, установлены оптимальные условия для синтеза молекулярных кристаллов из данных компонент. Получены достаточно крупные однородные кристаллы, что позволило: снять их спектры в видимой и ближней инфракрасной областях спектра, определить их нелинейно-оптические характеристики и уровень однородности. Представлены их оптические (пропускание и удельная лазерная прочность) и нелинейно-оптические характеристики. Для наблюдения и измерения нелинейно-оптических свойств собрана установка, реализующая метод относительных измерений нелинейно-оптического отклика, в качестве эталона для сравнения использовался кристалл титанил-фосфата калия, приведены результаты по эффективности преобразования основного излучения лазера во вторую оптическую гармонику, относительно сигнала, полученного при помощи кристалла титанил-фосфата калия. Полученные результаты показывают, что молекулярный со-кристалл на базе 2,6-Diaminopyridine является перспективным нелинейно-оптическим материалом для генерации второй оптической гармоники Nd:YAG-лазера (532 нм).
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДОГО РАСТВОРА Mg2Si0,3Sn0,7 p-ТИПА, ПОЛУЧЕННОГО МЕТОДОМ ГОРЯЧЕГО ПРЕССОВАНИЯ Исаченко Г. Н., Бочков Л. В., Самунин А. Ю., Федоров М. И., Булат Л. П., Гуриева Е. А., Шик А. .
57
Показано, что термоэлектрическое преобразование энергии, позволяющее утилизировать низкопотенциальное тепло, является одним из путей внедрения энергосберегающих технологий, причем для работы термоэлектрических генераторов необходимы полупроводниковые материалы p- и n-типа с высокой термоэлектрической добротностью. В настоящей работе исследована возможность использовать в качестве пары для хорошо изученного термоэлектрического материала на основе Mg2Si–Mg2Sn n-типа твердый раствор Mg2Si0,3Sn0,7 p-типа, в том числе имеющий наноструктуру. Разработана технологическая схема получения сильнолегированного твердого раствора Mg2Si0,3Sn0,7 p-типа путем горячего прессования из нанопорошка. Данная технология позволила сократить время получения однородного материала и улучшила его физико-химические свойства. Для исследования изготовлены образцы тремя способами: прямое сплавление, в результате которого получены поликристаллы; горячее прессование из микрочастиц; наноструктурирование, т.е. горячее прессование из наночастиц. Методом рентгеноструктурного анализа установлено, что размеры зерен в наноструктурных образцах имеют величину около 40 нм. Измерение коэффициентов электропроводности и термоЭДС осуществлено зондовым методом. Для измерения коэффициента теплопроводности использован стационарный абсолютный метод. По измеренным значениям кинетических коэффициентов в диапазоне температур 77–800 К определена термоэлектрическая добротность. Показано, что коэффициенты электропроводности, термоЭДС и фактор мощности слабо зависят от способа приготовления твердого раствора, причем теплопроводность у спрессованных из наночастиц образцов оказалась выше, чем у образцов, полученных прямым сплавлением, т.е. в данном случае наноструктурирование не привело к увеличению термоэлектрической добротности. Сделан вывод, что поликристаллический полупроводник Mg2Si0,3Sn0,7 может быть использован в качестве p-ветви термоэлектрического генератора, хоть наноструктурирование и не привело к росту добротности. Сделано предположение, что увеличения добротности можно ожидать при дальнейшем уменьшении размеров нанозерен.
64
Рассмотрена задача создания гетерополитипных приборных структур на карбиде кремния, предназначенных для силовых приборов, не подверженных деградации электрических свойств. Рассмотрено явление политипизма. Приведены характеристики различных политипов SiC. Приведены сведения о причинах и следствиях деградации p-n-структур силовых приборов на основе SiC при прохождении большой плотности прямого тока. Показано, что гетеропереходы между политипами SiС могут обладать бóльшим структурным совершенством, чем гетеропереходы между полупроводниками с различной химической природой. Сделан вывод о перспективности применения гетероструктур на основе политипа 3С-SiC в приборах современной силовой электроники. Приведен краткий обзор возможных методов выращивания монокристаллов 3С-SiC. Предложена принципиальная схема создания гетерополитипных структур 3С-SiC на базе подложек политипа 6Н-SiC.
70
Представлены результаты экспериментального исследования модификации приповерхностных слоев силикатных стекол при воздействии электронных пучков с энергией электронов 5–50 кэВ и дозой облучения 20–50 мКл/см2. Показано, что при воздействии электронного пучка на стекла при энергии электронов 20–50 кэВ в приповерхностном слое стекла формируется градиентный оптический волновод с увеличением показателя преломления на оси волновода Δn = 0,01–0,04. Скорость химического травления стекла в облученной зоне увеличивается до двух раз, что связано с разрушением сетки стекла. При энергии электронов менее 10 кэВ на поверхности стекол, содержащих серебро, в зависимости от дозы облучения формируется пленка или наночастицы серебра размером менее 20 нм. При энергии электронов 20–50 кэВ и дозе облучения 20–50 мК/см2 происходит растворение в объеме стекла тонких пленок серебра, нанесенных на поверхность стекла. Основными механизмами, приводящими к данным эффектам, являются: разрыв химических связей пространственной сетки стекла энергичными электронами, формирование области отрицательного объемного заряда в стекле и полевая миграция положительных ионов металла в область отрицательного объемного заряда. Полученные результаты могут быть использованы для создания устройств фотоники, интегральной оптики и наноплазмоники.
76
Представлены результаты экспериментального исследования спектров возбуждения люминесценции и люминесценции силикатных стекол, содержащих ионы церия и сурьмы. Изучены особенности люминесценции, а также влияние ультрафиолетового облучения и термообработки на люминесценцию и состояние ионов церия и сурьмы в стекле. Исследовались стекла системы Na2O-ZnO-Al2O3-SiO2-NaF-NaBr с добавками CeO2 и Sb2O3. Синтез проводился в платиновых тиглях на воздухе при температуре 1450ºС. Образцы представляли собой полированные стеклянные пластины толщиной 0,5–1 мм. Ультрафиолетовое облучение проводилось с помощью ртутной лампы, имеющей широкий спектр излучения в спектральном интервале 240–390 нм. Термообработка осуществлялась в муфельных печах Nabertherm. Спектры люминесценции и возбуждения люминесценции измерялись с помощью спектрофлуориметра MPF-44А (PerkinElmer) при комнатной температуре. Измеренные спектры люминесценции корректировались с учетом спектральной чувствительности фотоприемника спектрофлуориметра. Установлено, что в силикатных стеклах ионы Sb3+ могут находиться в двух энергетических состояниях, которым соответствует различное окружение ионами кислорода. Термообработка таких стекол в окислительной атмосфере приводит к увеличению концентрации ионов Sb3+ с бóльшим количеством ионов кислорода в окружении. В стеклах, содержащих ионы церия и сурьмы, ультрафиолетовое облучение приводит к изменению валентности ионов церия и сурьмы, что сопровождается тушением люминесценции. Последующая термообработка стекол приводит к появлению обратных процессов и восстановлению спектров возбуждения люминесценции. Исследование люминесцентных свойств фото-термо-рефрактивных стекол с ионами церия и сурьмы позволило сделать вывод о практической значимости данной работы. На основе таких стекол могут быть созданы перспективные полифункциональные материалы, удовлетворяющие всем современным потребностям фотоники.
81
Приведены результаты исследования композитного материала жидкое стекло–микрочастицы графита с повышенной термостойкостью и теплоизоляционными свойствами. Предложена композиция, состоящая из графита (42% по массе), жидкого стекла Na2O(SiO2)n (50% по массе) и отвердителя – натрия кремнефтористого Na2SiF6 (8% по массе). Предложена технология получения такой композиции. Экспериментально получены образцы композитного материала с частицами наполнителя (графита) размером несколько микрометров. Это подтверждено исследованием образцов методами рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии. Проведен качественный и количественный фазовый анализ структуры композитного материала. Выявлены значения предельных нагрузок, которые приводят к разрушению композитного материала. Выявлен характер разрывной поверхности. Определены численные значения удельной теплоемкости и коэффициента теплопроводности. Экспериментально получены зависимости удельной теплоемкости и коэффициента теплопроводности от температуры при монотонном нагреве. Исследования подтвердили повышенные теплоизоляционные свойства предложенной композиции. Композитные материалы с такими характеристиками могут быть рекомендованы в качестве покрытий, предназначенных для уменьшения тепловых потерь и устойчивых к воздействию высоких температур. В силу общедоступности и низкой стоимости компонентов предложенный материал может производиться в промышленных масштабах.

КОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

88
Приведен анализ существующих подходов к формированию штрих-кодов, дано описание типовой структуры системы формирования штрих-кодов по изображениям лиц. Предложен метод формирования линейного штрих-кода по изображениям лиц, основанный на разностных градиентах яркости, представляющих изображения лиц в форме исходных признаков. Далее эти признаки усредняются на ограниченном числе интервалов, квантуются в диапазоне десятичных цифр от 0 до 9 и преобразуются в стандартный штрих-код. Тестирование выполнено на базе Faces94 и базе композитных лиц различных возрастов. В рамках тестов показано, что сформированный штрих-код не изменяется при изменении локальных размеров лиц, их повороте в плоскости XY, изменении ракурса и зеркальном повороте вокруг вертикальной оси, а также при изменениях речевой мимики и возрастных изменениях лиц. Предложенный метод предлагает новое решение для практики использования в реальных условиях – при наличии динамики изменения параметров изображений лиц. При этом подход не требуют больших вычислительных затрат, а также использования специализированных пакетов программ по обработке изображений, что создает условия для формирования линейных штрих-кодов в рамках мобильных систем и систем реального времени.
96
Работа посвящена строгому решению задачи параметрической оптимизации структуры консолидирую-щего классификационного решения для ансамбля независимых классификаторов. Оптимизированное консолидирующее решение обеспечивает минимум классификационной ошибки для экспоненциальной функции потерь. Свой-ства предложенного решения строго доказаны. Решаемая задача имеет актуальное практическое приложение в муль-тимодальных биометрических системах идентификации личности, когда консолидирующее идентификационное ре-шение принимается по результатам независимых решений идентификационной задачи ансамблем мономодальных классификаторов, имеющих различные показатели эффективности функционирования. Также актуально использова-ние предложенного подхода в мультимодальных системах мониторинга протяженных объектов при решении задачи классификации типа угрозы, по данным пространственно распределенной сети датчиков различной физической природы, которые характеризуются различными показателями точности измерения. Предложенное решение легко реа-лизуется на практике и органично имплементируется в реально функционирующие системы. Имитационное модели-рование предложенного подхода проводилось на специально сформированной бимодальной биометрической базе данных. Результаты имитационного моделирования показали высокую практическую эффективность предложенного метода.
ВЫЧИСЛЕНИЕ МАТРИЦ МЕРСЕННА И АДАМАРА МЕТОДОМ СКАРПИ Балонин Н. А., Балонин Ю. Н., Сергеев М. Б.
103
Постановка проблемы. Основные обобщения матриц Адамара связывают с матрицами максимального детерминанта или с не оптимальными по детерминанту матрицами с ортогональными столбцами (взвешенные матрицы, матрицы Мерсенна, Эйлера и т.п.); способы вычисления квазиортогональных матриц Мерсенна локального максимума детерминанта изучены недостаточно полно. Целью работы является развитие теории матриц Мерсенна и Адамара изучением обобщенного метода Скарпи. Методы. Экстремальные решения ищутся, в общем, минимизацией максимума абсолютных значений элементов исследуемых матриц с последующей классификацией их по количеству и значениям уровней, зависящих от порядков. Менее универсальные, но более эффективные методы опираются на структурные инварианты квазиортогональных матриц (методы Сильвестра, Пэли, Скарпи и т.п.). Результаты. Рассматриваются обобщения матриц Адамара и Белевича на нечетные порядки в виде семейства квазиортогональных матриц, в частности, к ним принадлежат двухуровневые матрицы Мерсенна. Даны определения слоя и сечения на множестве всех обобщенных матриц. Приведены алгоритмы вычисления матриц соседствующих слоев и сечений по матрицам меньшего порядка. Приводятся примеры аппроксимации, вплоть до критичного порядка 22, структур матриц Белевича матрицей Мерсенна третьего порядка. Приводится новая формулировка модифицированного метода Скарпи аппроксимации матриц Адамара высоких порядков матрицами Мерсенна низких порядков. Метод Вильямсона раскрывается примером приближения модульно одноуровневых матриц матрицами с малым количеством уровней. Практическая значимость. Обосновывается эффективность развиваемого направления для построения полосовых фильтров. Алгоритмы нахождения матриц Мерсенна методом Скарпи использованы при построении исследовательского программного комплекса. Субоптимальные по детерминанту матрицы составляют основу фильтров Мерсенна и применяются для сжатия и маскирования изображений.

ТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ

112
Рассматриваются проблемы ротационной вытяжки трубных или листовых заготовок из алюминиево-магниевых и алюминиевых деформируемых сплавов. Обосновывается необходимость контроля распределения технологических остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя заготовок в процессе ротационной вытяжки. Исследуется деталь из алюминиевого сплава АМг5, получаемая трехэтапной ротационной вытяжкой. Остаточные напряжения σ определялись резистивным электроконтактным методом. Выполнен анализ напряженного состояния заготовок после каждого этапа ротационной вытяжки. С применением теории планирования эксперимента проведены исследования влияния режимов обработки и термообработки на уровень остаточных напряжений в материале заготовок. Параметром оптимизации процесса принята величина остаточных напряжений, а факторами процесса – технологические режимы ротационной вытяжки и межэтапной термообработки. На основе статистического расчета представлена математическая модель процесса (по критерию Фишера). Получены технологические режимы обработки, при которых обеспечивается наименьший уровень остаточных напряжений в поверхностном слое исследуемых образцов и оптимальное распределение остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя заготовок. Разработанная методика может быть рекомендована для применения в производственных условиях при изготовлении осесимметричных деталей из алюминиево-магниевых и алюминиевых деформируемых сплавов методом ротационной вытяжки.
117
Исследован тепловой баланс сферического космического объекта в околоземном космическом пространстве. Получено аналитическое описание стационарной средней температуры такого объекта с учетом наличия внутренних источников тепловыделений и поглощаемого его поверхностью солнечного излучения. Математическая модель, описывающая тепловой баланс космического объекта, представлена единым уравнением, сочетающим две частные модели. Одна модель учитывает, помимо теплоотдачи излучением от объекта в космическое пространство, также и излучение в сторону Земли. Вторая учитывает только затенение Землей потока излучения в космическое пространство. Выбор модели определяется направлением результирующего потока излучения между объектом и Землей. Получены функции, описывающие высотные зависимости температуры космического объекта сферической формы. В тени Земли выбор модели и формул, описывающих температуру космического объекта, определяется величиной удельной мощности тепловыделений и его температурным уровнем. На солнечном участке траектории выбор вида высотной функции зависит также от отношения коэффициента поглощения солнечного излучения к степени черноты поверхности объекта. Предложены критерии, позволяющие до начала расчетов выбирать вид функции, описывающей относительное изменение температуры объекта с ростом высоты. Представлены результаты расчетов, проведенных с использованием высотных функций, вытекающих из двух моделей, и указаны границы применимости этих функций. Выведенные аналитические формулы позволяют вычислять температуру сферического космического объекта. Полученные выводы справедливы для объектов выпуклой формы типовых конфигураций.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

МЕТОД ВИЗУАЛИЗАЦИИ МЕТАГРАФА Штогрина Е. С., Кривенко А. С.
124
Проведен анализ методов визуализации разных типов графов. Сделан вывод об актуальности разработки метода визуализации метаграфов. Описываются проблемы размещения узлов, принадлежащих и не принадлежащих метавершинам, пересечения фигур метавершин, которые возникают при решении задачи визуализации метаграфа. Данные проблемы рассмотрены на примере. Определены критерии, по которым полученное изображение считается наглядным для пользователя и однозначно соответствует заданному метаграфу. Поставлена задача визуализации метаграфа. Для ее решения предложен метод визуализации, основанный на принципах силовых алгоритмов. В рамках данного метода определены правила действия сил между узлами. Эти силы зависят от типа узлов, между которыми действуют, и наличия ребер между ними. Применение предложенного метода позволяет строить графическое представление метаграфа, который соответствует заданной предметной области. Метод не предполагает участия человека при формировании изображения, что позволяет экономить время при частых изменениях, которые требуют перестройки изображения. Полученное изображение позволяет визуализировать сущности предметной области и связи между ними, применить методы графического анализа. Определены дальнейшие направления работы – минимизация количества пересечений ребер и площади, занимаемой результирующим изображением. Модификация метода визуализации метаграфа с учетом данных направлений позволит улучшить визуальное представление метаграфа.
131
На основе метода основной (гладкой) составляющей и метода результирующего вектора разработано математическое описание активного полупроводникового преобразователя. Получены уравнения, описывающие установившиеся режимы работы активного полупроводникового преобразователя. На их основе рассчитаны и построены регулировочные и электромагнитные характеристики активного полупроводникового преобразователя. Показано, что преобразователь представляет собой существенно нелинейную систему, исследование динамики которой может быть осуществлено только с использованием современных программных продуктов. В пакете Simulink разработана структурная модель активного полупроводникового преобразователя и проведено исследование ее динамики. Моделирование показало, что динамические процессы при переключении активного полупроводникового преобразователя из режима активного выпрямителя в режим ведомого инвертора и обратно существенно нелинейны. При некоторых сочетаниях параметров может наступить отказ в работе преобразователя. Предложена замкнутая нелинейная структура системы управления активным полупроводниковым преобразователем. Синтезированы регуляторы, придающие всей системе заданные статические и динамические характеристики. Разработана структурная модель замкнутой системы, проведено ее исследование и получены динамические характеристики. Результаты исследования подтвердили свойства активного полупроводникового преобразователя, заложенные при его синтезе.
140
В соответствии с запланированным циклом исследований по развитию методов численного моделирования многокомпонентных газоразрядных сред, основанных на современной концепции нелокальной плазмы, построены простые тестовые численные модели газового разряда в воздухе при пониженных давлениях. В рамках полуэмпирического подхода рассчитана зависимость от давления падения напряжения на разрядном промежутке как суммы падений в прикатодном слое и на положительном столбе тлеющего разряда, вычисляемых в соответствии с их моделями, учитывающими ионизацию электронным ударом из основного состояния, рекомбинацию носителей на стенках разрядной трубки, ионно-электронную эмиссию с катода и потерю энергии электронами при столкновениях с невозбужденными молекулами. Рассчитанные зависимости падения напряжения от давления сопоставлены с результатами численного моделирования разряда, выполненного на основе решения системы гидродинамических уравнений для концентраций в двумерном случае при учете перечисленных процессов. В рамках вышесказанных приближений обе модели привели к удовлетворительно согласующимся между собой результатам, которые оказались существенно заниженными по сравнению с экспериментальными результатами в соответствующей нормальному тлеющему разряду области высоких давлений. Полученные расхождения могут объясняться недостаточной полнотой системы элементарных процессов, учитываемых при моделировании. Например, неучтенное присутствие в качестве примесей газов из трехатомных молекул может приводить к увеличению столкновительных потерь энергии электронов, что, в свою очередь, должно приводить к увеличению напряженности электрического поля в положительном столбе по сравнению с полученными в моделях значениями.
149
Рассмотрены основные особенности алгоритма нелинейной фильтрации Калмана применительно к задаче динамической обработки интерферометрических сигналов. Получены аналитические оценки, определяющие статистические характеристики ошибок предсказания значений сигнала, проведен анализ гистограмм ошибок с учетом изменения различных параметров интерферометрического сигнала. Выполнено моделирование операции предсказания сигнала при известных фиксированных параметрах и изменяющихся параметрах сигналов в алгоритме нелинейной фильтрации Калмана. Получены количественные оценки ошибок предсказания значений интерферометрического сигнала путем построения и анализа гистограмм ошибок при воздействии аддитивного шума и при случайных изменениях амплитуды и частоты интерферометрического сигнала. Показано, что нелинейный фильтр Калмана обеспечивает обработку сигналов со случайно изменяющимися параметрами, однако непосредственно не учитывает погрешность линеаризации гармонической функции, представляющей интерферометрический сигнал, что является источником погрешностей фильтрации. Основной недостаток линейного предсказания состоит в негауссовской статистике ошибок предсказания, в том числе при случайных отклонениях амплитуды и (или) частоты сигнала. При стохаcтической фильтрации интерферометрических сигналов целесообразно использовать процедуры предсказания, основанные на учете локальных статистик сигнала и его параметров.
156
Описана методика проведения многокритериальной оптимизации конструктивных параметров технологического объекта. Приведен обзор существующих методов оптимизации и анализ работ в области фундаментальных исследований и решения прикладных задач. Сформулирована постановка задачи на основании требований к технологическому процессу, позволяющая подобрать геометрические размеры рабочих органов машины и скорости протекания технологического процесса таким образом, чтобы результирующие технико-экономические параметры были оптимальными. В постановке задачи описано применение метода рабочих характеристик, адаптированного к конкретной предметной области. Приведена реализация поставленной задачи, описана методика построения характеристик исследуемого объекта с условием ограничений некоторых параметров как в аналитическом, так и в графическом представлении. На основании теоретических исследований разработана программная система, позволяющая автоматизировать нахождение оптимальных решений для конкретных задач. Используя имеющиеся исходные данные, характеризующие объект исследования, можно установить идентификаторы и ввести ограничения как с одной стороны, так и в интервале. В результате получена визуальная картина зависимостей основных параметров исследования от остальных, которые могут оказывать влияние на протекание технологического процесса и на качество выпускаемой продукции. Полученная оптимальная область показывает использование разных вариантов конструкции технологического объекта в приемлемом кинематическом диапазоне, что позволяет исследователю выбирать наилучшее конструктивное решение.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ОБРАЗОВАНИИ

163
Развивается концепция метаситуационного моделирования в области описания слабоформализованных недетерминированных социально-экономических процессов применительно к образовательной сфере. Целью работы является повышение эффективности и оптимизация процедуры принятия решений вообще и информационной поддержки слабоформализованных процессов, в частности. Для достижения поставленной цели предлагается введение концепции и методологии метаситуационного моделирования как интеграции ситуационного (событийного) и онтологического (семантического) подходов. Предполагается, что двухуровневое описание развития ситуации (на декларативном и дескриптивном уровнях) позволит варьировать уровень абстракции по отношению к процессу и получать доступ к данным и знаниям о нем на том этапе, когда это объективно необходимо. Другое очевидное преимущество предлагаемого подхода – простота реализации, что определяется широким распространением как ситуационного, так и онтологического подходов, а, следовательно, методов их формализации (математический аппарат) и инструментально-программной реализации (языки программирования, форматы представления и пр.). Для подтверждения целесообразности и работоспособности предлагаемого метаситуационного подхода в работе авторами рассматривается типичный пример слабоформализованной ситуации – один из вариантов оценочных средств, традиционно применяемый в любом образовательном учреждении. Детально описываются обе составляющие указанного процесса – ситуационная, задающая поэтапное развитие процедуры, и онтологическая, характеризующая таксономический аспект процесса. Определяется порядок формализованного описания структуры метаситуационной модели на основе XML-подобных форматов представления данных (категории «Семантический Веб»).

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

172
Представлена компонентная архитектура системы организации доступа к веб-сервисам. Разработано исполнительное ядро системы – процессор запросов к веб-сервисам. Реализован прототип типового решения проектирования и развертывания инфраструктуры управления веб-сервисами интернет-ориентированных информационно-вычислительных систем. Работа направлена на развитие исследований, проводимых в области формирования плана выполнения запросов к веб-сервисам – плана вызова веб-сервисов. Основными результатами работы являются: компонентная архитектура системы организации доступа к веб-сервисам, прототип типового решения проектирования – процессор запросов к веб-сервисам.
Информация 2001-2019 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика