Том 21, № 3 (2020)

Плоская задача для уравнений упругости достаточно хорошо изучена. Это объясняется ее важностью для приложений и тем, что уравнения сводятся к системе Коши – Римана. Несмотря на это, точных решений, которые описывали бы напряженно-деформированное состояние тел конечных размеров, не так много. Законы сохранения для дифференциальных уравнений появились более ста лет назад, но, как правило, они не использовались для решения конкретных задач, а представляли «чисто академический» интерес. Ситуация изменилась с развитием техники построения законов сохранений для произвольных систем дифференциальных уравнений, а затем – с использованием законов сохранения для решения краевых задач теории пластичности и упруго-пластичности. В этой статье построены новые законы сохранения для уравнений плоской теории упругости в стационарном случае. Эти законы образуют бесконечную серию, которая тесно связана с решениями уравнений упругости. Именно этот факт позволил свести решение краевых задач в терминах перемещений к вычислению контурных интегралов по границе области, ограниченной изучаемым упругим телом. Из данной методики следует, что область может быть многосвязной, а граница – кусочно-гладкой.

Наиболее общим показателем эффективности управления процессом получения алюминия является себестоимость произведенного металла, но это понятие включает в себя много составляющих. Прежде всего это стоимость сырья и электроэнергии в данном регионе, а также стоимость трудозатрат на тонну продукции, расходные коэффициенты сырья и энергии, капитальные затраты на строительство и ремонт, стоимость утилизации отходов, экологические выплаты и т.д. При этом отсутствует единый функционал качества процесса, зависящий от технологических параметров, то есть задача полной и относительно строгой математической оптимизации процесса в целом в настоящее время представляется не решаемой не только из-за ее объемности, а из-за отсутствия полной модели эффективности. В рамках данного исследования рассмотрены частные критерии эффективности, на улучшение которых направлена разработанная авторами оптимизационная модель управляющих воздействий, которые выбраны исходя из возможных рычагов действующей автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУТП) электролиза алюминия. Все испытания проводились на программном обеспечении «Виртуальный электролизер» без передачи на реальный объект управления.

Статья посвящена модификации автоматизированной информационной системы решения задач мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера с целью повышения эффективности ее функционирования, а именно: повышения скорости выполнения основных операций, снижения вероятности возникновения ошибок. Мониторинг и прогнозирование чрезвычайных ситуаций являются одними из приоритетных направлений в сфере обеспечения защиты населения от ЧС, так как предотвращение и ликвидация их последствий осуществляются на основе решения данных задач. При этом, скорость сбора, обработки и анализа данных во многом определяют эффективность полученных результатов. В статье рассматривается существующая система мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, ее функциональная модель в нотации IDEF0, характерные особенности, достоинства и недостатки. Предлагается совершенствование системы путем автоматизации ряда задач, связанных с обработкой, передачей и хранением больших объемов данных, поступающих, в том числе, и в режиме реального времени, а также с формированием сводных отчетов по результатам мониторинга и прогнозирования для различных объектов. Рассмотрена информационная архитектура предлагаемого решения, соответствующая модель базы данных. Представлена модель решения задач мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций с учетом предлагаемой модификации автоматизированной информационной системы. Проводится сравнительный анализ времени выполнения основных операций на основе исходной и модифицированной АИС при использовании существующего аппаратного обеспечения, подтверждающий эффективность предлагаемого решения. Предлагаемая автоматизация обмена данными и генерации сводных отчетов по множеству объектов мониторинга позволит упростить анализ полученных результатов и выработку на их основе решений, направленных на предотвращение чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, а также ликвидацию их последствий.

Работа посвящена исследованию и разработке новых алгоритмов автоматической группировки объектов, которые позволяют повысить точность и стабильность результата решения практических задач, например, таких как задача выделения однородных партий промышленной продукции. В статье исследуется применение алгоритма k-средних с Евклидовым, Манхэттенским, Махаланобиса мерами расстояния для задачи автоматической группировки объектов с большим количеством параметров. Представлена новая модель для решения задач автоматической группировки промышленной продукции на основе модели k-средних с мерой расстояния Махаланобиса. Данная модель использует процедуру обучения путем вычисления усредненной оценки ковариационной матрицы для обучающей выборки (выборка с предварительно размеченными данными). Предложен новый алгоритм автоматической группировки объектов, основанный на оптимизационной модели k-средних с мерой расстояния Махаланобиса и средневзвешенной ковариационной матрицей, рассчитанной по обучающей выборке. Алгоритм позволяет снизить долю ошибок (повысить индекс Рэнда) при выявлении однородных производственных партий продукции по результатам тестовых испытаний. Представлен новый подход к разработке генетических алгоритмов для задачи k-средних с применением единой жадной агломеративной эвристической процедуры в качестве оператора скрещивания и оператора мутации. Вычислительный эксперимент показал, что новая процедура мутации является быстрой и эффективной по сравнению с исходной мутацией генетического алгоритма, показана высокая скорость сходимости целевой функции. Применение данного алгоритма позволяет статистически значимо повысить точность результата (улучшить достигаемое значение целевой функции в рамках выбранной математической модели решения задачи автоматической группировки), а также его стабильность за фиксированное время по сравнению с известными алгоритмами автоматической группировки. Результаты показывают, что идея включения нового оператора мутации в генетическом алгоритме значительно улучшает результаты простейшего генетического алгоритма для задачи k-средних.

Исследование теплоотдачи от продуктов сгорания (ПС) к рабочему колесу и корпусу газовых турбин жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) является актуальной задачей.

Решение задачи течения с учетом теплообмена при вращательных течениях в проточных частях турбонасосных агрегатов (ТНА) ЖРД осуществляется следующими способами: численными методами, аналитическим подходом при решении уравнений динамического и температурного пограничных слоев, а также с использованием эмпирических зависимостей. Параметр температуры газообразных ПС и, как следствие, теплообмен между ПС и конструктивными элементами проточной части значительно влияет на рабочие и энергетические характеристики ТНА ЖРД.

При проектировании газовых турбин ЖРД необходимо учитывать наличие теплообменных процессов, распределение температур рабочего тела и температур конструктивных элементов в полостях ТНА ЖРД (так как энергетические потери и вязкость зависят от температур рабочего тела, а также определяют параметры течения). Распределение температур в конструктивных элементах определяют работоспособность и надежность агрегата.

В случае применения криогенных компонентов топлива в агрегатах подачи ТНА ЖРД, подогрев компонента приводит к реализации кавитационных режимов и падению рабочих и энергетических характеристик. С другой стороны, пониженная температура рабочего тела приводит к повышенной вязкости компонентов и снижению КПД агрегата (особенно при использовании гелеобразных компонентов).

При исследовании теплоотдачи в поле центробежных сил для элементов газовых турбин ЖРД необходимо получить совместное решение уравнений динамического и температурного пограничных слоев в граничных условиях проточных частей.

Предложена модель распределения динамического и температурного пограничных слоев с учетом конвективной составляющей (для случая газообразного рабочего тела, т. е. Pr < 1), необходимая для аналитического решения и определения коэффициента теплоотдачи в граничных условиях проточных полостей турбины ЖРД. Аналитически получено уравнение энергии для граничных условий температурного пограничного слоя, позволяющего вести интегрирование по поверхности любой формы, необходимое при определении толщин потери энергии. С учетом интегрального соотношения записан закон теплообмена турбулентного пограничного слоя для полостей вращения. Аналитическим путем получены уравнения для определения коэффициента теплоотдачи в виде критерия Стантона для прямолинейного равномерного и вращательных течений для случаев турбулентных режимов течения. Полученные аналитические уравнения для коэффициентов теплоотдачи хорошо согласуются с экспериментальными данными и зависимостями других авторов.

Для уточнения траектории движения космического аппарата по заданной орбите учитывается параметр немоделируемого ускорения. На сегодняшний день при проектировании и изготовлении космического аппарата для обеспечения требований технического задания к предельно допустимым значениям немоделируемых ускорений при работе бортовой аппаратуры, необходим учет воздействия несимметричных тепловых потоков с панелей космического аппарата на отклонение его центра масс от заданной орбиты. В данной статье рассмотрена проблема влияния ассиметричных тепловых потоков с поверхностей космического аппарата, исходящих с панелей ±Z, +У (детерминированной и недетерминированной составляющей) на величину уровня немоделируемых ускорений, что существенно влияет на траекторию движения космического аппарата.

Для обеспечения требований к системе терморегулирования в части обеспечения эффективного отвода тепла от приборов бортовой аппаратуры и распределения его по поверхности панели установки приборов необходимо значительно улучшить технические характеристики процессов теплопередачи и теплопроводности в космическом аппарате. Проведен анализ действующей системы терморегулирования в современных спутниках и выявлены её недостатки. Предложен конструктивный вариант создания энергоемкой тепловой панели, которая позволяет эффективнее отводить тепло от приборов и распределять его по панели. Спроектированная тепловая панель представляет собой плоскую герметичную панель единой сложной конструкции из алюминиевого сплава, изготовленную методом аддитивных технологий. Размеры тепловой панели ограничены конструктивными размерами рабочей зоны 3D-принтеров. На сегодняшний момент основные размеры доходят до 600–800 мм. Увеличение рабочей площади в дальнейшем даст возможность монтажа крупногабаритной радиоэлектронной аппаратуры.

Представлена двухмерная математическая модель для расчета процессов теплообмена в спроектированной тепловой панели. Для расчета вводятся удельные средние величины, характеризующие эффективные сечения для паровых каналов и фитиля в продольном и поперечном направлениях, физические параметры (пористость фитиля и степень его насыщенности жидкостью).

В работе рассмотрен автоматизированный энергосберегающий имитационно-натурный комплекс, предназначенный для наземных испытаний систем электропитания космических аппаратов. Комплекс позволяет имитировать работу солнечной батареи, аккумуляторной батареи и бортовой нагрузки. Отличительной особенностью комплекса является комбинирование непрерывных и импульсных методов управления и использование рекуперации потребленной энергии в собственную сеть постоянного тока с целью повышения динамической точности и повышения коэффициента полезного использования энергии. Также рекуперация в сеть постоянного тока снижает энергопотребление комплекса, что при использовании источника бесперебойного питания (ИБП) позволяет увеличить время работы комплекса от аккумуляторов ИБП.

В статье рассматриваются вопросы повышения динамической точности и снижения энергопотребления при проведении наземных электрических испытаний систем электропитания (СЭП) космических аппаратов (КА). В ходе наземных электрических испытаний СЭП КА возникают следующие задачи:

• необходимо достаточно адекватно воспроизводить статические и динамические свойства как источников энергии СЭП КА, так и потребителей;
• при энергонагружении СЭП и имитации заряда бортовой аккумуляторной батареи (АБ) необходимо утилизировать потребленную энергию.

Статья представляет собой описание автоматизированного энергосберегающего имитационно-натурного комплекса (ЭИНК), структур его подсистем, экспериментальное подтверждение характеристик. Приведен внешний вид ЭИНК.

Промышленно выпускаемые имитационно-натурные комплексы, как правило, используют непрерывные или импульсные методы управления. Использование непрерывных методов управления снижает коэффициент полезного использования энергии, поскольку относительно большая часть энергии рассеивается в виде тепла на регулирующих элементах, а также приводит к увеличению массогабаритных показателей из-за необходимости применения теплоотводов. Это затрудняет создание мощных имитационно-натурных комплексов. Использование импульсных методов управления обеспечивает высокое значение коэффициента использования энергии, однако не позволяет получить высокого быстродействия и адекватного воспроизведения быстропротекающих процессов реальных устройств. В данной статье рассмотрено комбинирование непрерывных и импульсных методов управления, что позволяет объединить их преимущества.

Для утилизации избыточной энергии в промышленно выпускаемых имитационно-натурных комплексах используется или рассеивание энергии в виде тепла или рекуперация в промышленную сеть переменного тока. Сброс избыточной энергии в виде тепла снижает коэффициент полезного использования энергии, приводит к повышению температуры в помещении (при испытании мощных СЭП), может потребовать систем вентиляции и кондиционирования воздуха. Рекуперация энергии в сеть переменного тока лишена этих недостатков. Однако она требует согласования параметров рекуперируемой энергии с требованиями промышленной сети посредством ведомых сетью инверторов, что приводит к ухудшению массогабаритных показателей комплекса. Кроме того, рекуперация в сеть переменного тока затруднена при аварийном отключении сети. Это может привести к срыву длительных испытаний. В данной статье рассмотрен метод рекуперации избыточной энергии в собственную сеть постоянного тока комплекса. При этом снижается энергопотребление комплекса, что при использовании источников бесперебойного питания (ИБП) повышает время работы ЭИНК от аккумуляторов ИБП при аварийном отключении сети переменного тока.

В выводах статьи подчеркивается, что разработанный ЭИНК обладает следующими преимуществами:

• возможность уменьшения мощности источника электропитания комплекса минимум в два раза;
• сохранение работоспособности и увеличение длительности работы от источника бесперебойного питания при отключении промышленной сети переменного напряжения;
• существенное уменьшение массы и габаритов составных частей ЭИНК.

В настоящее время к проектированию и производству жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) предъявляются все большие требования по обеспечению надежности. В соответствии с этим повышаются требования по проектированию и изготовлению агрегатов ЖРД. Одним из таких агрегатов является турбонасосный агрегат (ТНА), обеспечивающий непрерывную подачу жидких компонентов реакции горения в камеру сгорания ракетного двигателя для создания тяги или в другие агрегаты двигателя. Также ТНА является основным источником повышения давления данных жидких компонентов перед камерой сгорания ЖРД. К ТНА предъявляются  важные требования по обеспечению работоспособности основных параметров при заданном ресурсе с необходимыми возможными паузами установленной продолжительности; подачи компонентов топлива требуемого расхода и давления на всех режимах работы двигателя; высокой степени надежности с приемлемым КПД всего агрегата; высоким антикавитационным характеристикам насоса на всех режимах. В данной статье авторы обобщают последние результаты исследования кавитации в турбонасосных агрегатах ЖРД, а также применимые к ним исследования в области гидравлики. Рассмотрены проблемы кавитации в криогенных жидкостях, моделирование срывной характеристики, применение различных моделей к моделированию кавитационного потока. Решение данных проблем моделирования течения рассматривалось относительно применяемости к следующим элементам конструкции агрегатов ЖРД: межлопаточного пространства шнекоцентробежного основного и бустерных насосов, осевого преднасоса. Особое внимание уделено реализации различных численных методов, основанных на использовании различных моделей кавитации, вычислительной гидрогазодинамики в различных CFD пакетах, а также сравнении результатов с модельными. Авторы делают выводы о возможности применения данных методов к решению вопросов исследования явления кавитации в ЖРД.

Исследованы топологические точечные дефекты в нематических жидкокристаллических материалах. Предложен метод наклонного падения света, позволяющий определять азимутальный угол директора ахирального нематика, а также закрученного нематика (холестерика). Суть метода состоит в том, что при наклонном падении света на структуру с отличным от 0° и 90° полярным углом директора нематического жидкого кристалла (конические граничные условия) оптическая разность фаз, возникающая между обыкновенным и необыкновенным лучами, определяется величиной азимутального угла директора в центре слоя. Показано, что максимальное значение разности фаз достигается при нулевом азимутальном угле в центре слоя независимо от полного угла закрутки директора. Разработанный метод был использован для анализа топологических дефектов, формирующихся в слоях нематика и холестерика с коническими граничными условиями на межфазной границе. На основании полученных экспериментальных данных были построены распределения поля директора нематика и холестерика вблизи поверхностных точечных дефектов (буджумов) с топологическими зарядами m = +1 и m = –1. Полученные результаты интересны для исследований структурированных материалов, анализа оптическими методами дефектов структур, а предложенный метод наклонного падения света может использоваться для анализа широкого класса ахиральных и хиральных жидкокристаллических сред различного типа: смектиков, нематиков и холестериков с наклонными или гибридными граничными условиями.

Гольмий-марганцевый сульфид с гигантским магнитосопротивлением относится к новым магнитным сульфидным соединениям гольмия и марганца, обладающим эффектом гигантского магнитосопротивления, то есть с особыми магнитоэлектрическими свойствами, которые могут быть использованы в качестве составляющих компонент сенсорной техники, магнитной памяти для спинтроники. Приведена технология изготовления поликристаллов Ho_XMn_1-XS, выращенных кристаллизацией из расплава полученных порошковых сульфидов чистотой не ниже 99,9 % в стеклоуглеродных тиглях и кварцевом реакторе в атмосфере аргона. Согласно результатам рентгеноструктурного анализа, гольмий-марганцевые сульфиды Ho_XMn_1-XS имеют ГЦК структуру типа NaCl. С увеличением степени катионного замещения параметр элементарной ячейки линейно увеличивается с концентрацией. Сопутствующих примесных фаз в синтезированных образцах не обнаружено. Для установления состояния спинового стекла проведены измерения магнитного момента на нескольких частотах ω = 1, 10 и 100 kHz. Обнаружена зависимость магнитных характеристик от частоты измерений. Найдено затухание магнитного момента и его увеличение с понижением температуры, что связывается с образованием метастабильных состояний. Проведены измерения электросопротивления без поля и в магнитном поле. Найдены аномалии в температурной зависимости проводимости. Обнаружена смена знака магнитосопротивления с ростом температуры ниже и выше комнатной температуры.