80 лет Заковоротному В. Л. — инженеру, ученому.

Введение. Композитные материалы (КМ) все шире используются в различных сферах: машиностроении (в том числе в производстве судов, авиа- и сельскохозяйственной техники), приборостроении, изготовлении емкостей высокого давления и т. д. Довольно часто применяются многослойные композиты, состоящие в основном из одного вида армирующего материала и связующего. Особый интерес представляет использование в одном композите различных видов армирующих материалов — более прочных в местах наибольших напряжений в сечении. В качестве примера можно привести многослойный КМ из стеклянных и базальтовых тканей и волокон с одним видом связующего. Цель исследования — оценить свойства такого материала и смоделировать его методом конечных элементов.

Материалы и методы. В работе использованы компоненты, доступные в свободной продаже. Армирующие материалы — базальтовая ткань БТ-11, стеклоткань ТР-0,5, а также стекломат плотностью 300 г/м2.

Связующее — смола эпоксидная ЭД-20 с отвердителем полиэтиленполиамином. Для испытаний на растяжение и изгиб были изготовлены два материала, которые отличались по количеству, виду и последовательности слоев. Для моделирования использовалась система автоматизированного проектирования «Ком-пас 3D» (модуль АPM-FEM).

Результаты исследования. В наружных слоях композитного материала используется базальтовая ткань, во внутренних — стеклоткань. Такой подход позволяет повысить предел прочности композита при работе на растяжение и изгиб, однако критическое разрушение ведет к мгновенной потере несущей способности материала. Если же стекломат применяется в качестве сердцевины, то допустимое напряжение ниже (и на разрыв, и на изгиб). Однако при изгибе расслоение материала сокращает его несущую способность до 10% от максимальной. Моделирование материала предполагает некоторые допущения, которые связаны с размером конечных элементов.

Обсуждение и заключения. Применение базальтовых тканей в качестве армирующего вещества позволяет получать изделия со свойствами как стекло-, так и углепластиков. Такой КМ будет незначительно дороже стеклопластика и намного дешевле углепластика. Изделия из композитных материалов (приравненных к изотропным материалам) можно моделировать в системах автоматизированного проектирования методом конечных элементов. Важно учитывать вид нагружения на изделие, поскольку КМ, в основном, обладают анизотропными свойствами (нагрузка прикладывается с учетом направления волокон). В многослойных КМ из конструкционных тканей необходимо направлять нагрузки вдоль волокон. Кроме того, нужно учитывать межслойный сдвиг, различную адгезию между слоями и т. д. Главное допущение данного метода — «постоянство» толщины материала, количества слоев и порядка их расположения.

Введение. Исследуется влияние двух способов организации скалярного произведения на скорость сходимости решения в энергетическом методе граничных состояний. Основу метода исследования составляют пространства внутренних и граничных состояний, которые сопряжены изоморфизмом. Оба пространства ортонормируются, используя то или иное скалярное произведение. Искомое состояние раскладывается в ряд Фурье по элементам ортонормированного базиса, определяются коэффициенты этой линейной комбинации. Различие двух способов заключается в назначении скалярных произведений и вычислении коэффициентов Фурье.

Материалы и методы. Применительно к методу граничных состояний предложена новая теория организации скалярного произведения в пространствах внутренних и граничных состояний. Построены вычислительные алгоритмы ее практической реализации. В традиционном (первом) способе в качестве ортогонализатора в пространстве внутренних состояний используется внутренняя энергия упругого деформирования. Здесь коэффициенты Фурье представляют собой работу заданных сил на базисных векторах перемещения точек границы. В исследуемом (втором) способе скалярные произведения представляют собой интегралы от перекрестных произведений базисных векторов сил на границе. Соответственно коэффициенты Фурье вычисляются как интегралы произведения заданных сил на границе тела на базисные векторы сил.

Результаты исследования. Проведено численное исследование первой основной осесимметричной задачи теории упругости для трансверсально-изотропного цилиндра при отсутствии и при наличии массовых сил. При отсутствии массовых сил анализ упругих полей, полученных при одинаковом числе используемых базисных элементов, показал, что второй способ имеет наибольшую точность результатов. При наличии массовых сил второй способ не показал эффективности в плане единственности решения, однако он вполне пригоден для построения множества упругих полей, используемых в решении более сложных задач.

Обсуждение и заключения. Полученные результаты могут быть использованы в решении краевых задач механики не только анизотропного, но и изотропного тела. При решении более сложных задач, таких как контактные и смешенные, вопрос о скорости сходимости требует отдельного исследования.

Введение. История решения проблемы сварки конструкций из нержавеющих и жаропрочных металлов и сплавов насчитывает несколько десятилетий. Особое внимание исследователей привлекла работа с деформированными алюминиевыми сплавами толщиной 2–6 мм. Как правило, такие тонкостенные конструкции свариваются в среде защитного газа аргона при относительно малых величинах тока, поэтому перенос металла — крупнокапельный (сварной шов формируется в виде отдельных крупных капель с узким проплавлением свариваемых элементов). При этом шов получается очень выпуклым, что не отвечает эксплуатационным требованиям конструкций.

Таким образом, важно было решить следующие задачи: получить управляемый мелкокапельный перенос электродного металла на токах, соответствующих крупнокапельному переносу; определить условие управляемого переноса; разработать систему питания сварочной дуги.

Материалы и методы. Поведение и параметры дуги фиксировались скоростной кино- и видеосъемкой с синхронным осциллографированием электрических параметров процесса — тока и напряжения. Их регистрировали светолучевыми осциллографами и двухэкранными электронными осциллографами. Данные обрабатывались с помощью компьютерного комплекса и программы Diadem 10.1.

Результаты исследований. Определено основное условие управляемого переноса металла путем наложения импульсов тока на сварочную дугу от специальных импульсных источников с накопителями и без накопителей электрической энергии. Рассмотрены переходные процессы в электрических цепях основного сварочного источника во время действия импульса тока и паузы. Указаны факторы, обеспечивающие стабильность жесткой и гибкой импульсно-дуговой сварки (ИДС).

Обсуждение и заключения. Итоги изучения возможности управления технологическими свойствами сварочной дуги и предложенные методики расчета параметров режима ИДС стали основой разработки технологии и оборудования для механизированной ИДС плавящимся электродом узлов из алюминиевых сплавов. Они внедрены на предприятиях авиационной промышленности, судостроения. Решения для нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов используются на моторостроительных предприятиях. В результате исследований особенностей процесса механизированной сварки активированной электродной проволокой в углекислом газе разработана технология механизированной ИДС для узлов корпусов электропечей из нержавеющей стали, конструкций дорожно-строительных, сельскохозяйственных машин и судов.

Введение. Статья посвящена моделированию динамических процессов рычажной передачи тормозной системы пассажирского вагона в процессе торможения на участке пути, имеющему неровности.

Цели работы: разработка модуля контакта «тормозная колодка рычажной передачи – рабочая поверхность колеса» в полноразмерной компьютерной модели пассажирского вагона в программном комплексе «Универсальный механизм»; компьютерное моделирование рабочего режима торможения от 50 до 32 км/ч, с учетом вертикальных и горизонтальных неровностей рельсовых нитей пути, для определения закономерностей изменения продольного ускорения тормозной колодки и ее углового ускорения. Предмет исследования — силовое взаимодействие элементов и динамические процессы в рычажной передаче тормозной системы пассажирских вагонов.

Материалы и методы. В программный комплекс «Универсальный механизм» предложен новый модуль контакта «тормозная колодка рычажной передачи – рабочая поверхность колеса», который позволил определить продольные и угловые ускорения тормозной колодки рычажной передачи пассажирского вагона. Проведено имитационное моделирование рычажной передачи тормозной системы пассажирского вагона с тележками КВЗ-ЦНИИ типа II, оснащенного колодочными тормозами.

Результаты исследования. Разработана полноразмерная компьютерная модель пассажирского вагона в программном комплексе «Универсальный механизм», в которую включен разработанный модуль контакта «тормозная колодка рычажной передачи — рабочая поверхность колеса». Вагон представлен как система твердых тел, соединенных упругими и диссипативными элементами. При помощи компьютерного моделирования воспроизведен рабочий режим торможения при снижении скорости пассажирского вагона от 50 до 32 км/ч с учетом вертикальных и горизонтальных неровностей рельсовых нитей железнодорожного пути. Результатом моделирования явились закономерности изменения продольного ускорения тормозной колодки и ее углового ускорения в процессе торможения в вышеуказанном диапазоне скоростей. Построены спектры продольного углового ускорения тормозной колодки. Выявлено, что наличие неровностей пути оказывает влияние на спектральный состав ускорений. Кроме этого, при наложении колебаний подпрыгивания и галопирования рамы тележки при движении по пути с неровностями, колодка рычажной передачи может перемещаться вверх-вниз по рабочей поверхности колеса с размахом, достигающим 50 мм. Расширены функциональные возможности моделирования динамических процессов рычажной передачи тормозной системы пассажирского вагона в пакете программного комплекса «УМ-Локо».

Обсуждение и заключения. Полученные результаты могут быть использованы в процессе проектирования новых и модернизации существующих рычажных передач тормозной системы пассажирских вагонов на машиностроительных предприятиях и вагоноремонтных предприятиях. Это, в свою очередь, должно обеспечить равномерное распределения усилий по всем тормозным колодкам рычажной передачи пассажирского вагона.

Введение. Так как при строительстве магистральных трубопроводов сварка является единственным способом соединения отдельных труб в непрерывную нитку, то современные системы управления качеством продукции сварочного производства основаны на минимизации вероятности появления характерных дефектов. Это достигается мониторингом и документированием сварочных работ.

Материалы и методы. Проведенный анализ систем мониторинга процессов ручной, механизированной и автоматической орбитальной сварки показал, что промышленность остро нуждается в системах, не просто контролирующих и документирующих процесс сварки, но и прогнозирующих качество сварных соединений.

Это актуализирует необходимость разработки интеллектуального модуля, который смог бы на основании результатов мониторинга в режиме реального времени оперативно прогнозировать качество сварных соединений.

Результаты исследования. Так как теоретическая связь результатов прогнозирования с показателями качества шва характеризуется взаимодействием значительного количества физических явлений, протекающих во времени, то результаты процесса сварки могут быть описаны только достаточно полной нестационарной физико-математической моделью сварочного процесса. Однако с целью возможности прогнозирования результатов процесса сварки непосредственно при их мониторинге предлагается упрощенная модель прогнозирования, главной особенностью которой является возможность синхронного выполнения расчётов с реальным процессом, что реализуется в цикле реального времени с заданным шагом.

Обсуждение и заключения. Главным препятствием успешного функционирования модуля оперативного прогнозирования, помимо длительности численного решения уравнений модели, является погрешность оценки.

Чтобы обеспечить минимальную погрешность виртуального воспроизведения при упрощении необходимо провести комплексные исследования значимости отдельных факторов и явлений на показатели качества. Эти соображения определили содержание и последовательность работ по созданию и внедрению интеллектуального модуля оперативного прогнозирования качества сварки. Несомненно, что информация по прогнозированию качества сварных соединений должна поступать в систему управления качеством трубопроводов более высокого уровня, а также анализироваться строительными организациями с целью выработки профилактических мер по совершенствованию организации и выполнению сварочных работ.

Введение. Изучение магнитного состояния аустенита сталей позволило выявить механизм воздействия внешнего магнитного поля на сталь в процессе закалки. Предыдущие исследования установили положительное практическое влияние термической обработки в магнитном поле.

Цели работы: создать компьютерную модель магнитного состояния аустенита углеродистой стали; провести вычислительные эксперименты с системой спинов при различных значениях температуры и внешнего магнитного поля.

Материалы и методы. Использованы положения модели Изинга. Канонический ансамбль спинов моделировался методом Монте-Карло с использованием алгоритма Метрополиса.

Результаты исследования. Алгоритм реализовывался при начальных параметрах, подобранных с учетом экспериментальных данных о магнитном состоянии аустенита. Изучались неоднородности этого состояния без воздействия магнитного поля. Получены данные о размерах ферромагнитных кластеров в аустените при различных температурах. Отмечено, что наличие внешнего магнитного поля противодействует температурному разупорядочиванию спинов. Получены данные об увеличении размеров ферромагнитных кластеров при росте напряженности магнитного поля.

Обсуждение и заключения. Разработана двумерная компьютерная модель спинового состояния аустенита углеродистой стали. Вычислительные эксперименты при различных параметрах модели показали, что выше температуры Кюри существует ближний порядок в расположении спинов. С увеличением температуры системы размеры упорядоченных областей уменьшаются, а при наложении внешнего магнитного поля увеличиваются.

Введение. Статья посвящена аналитическим исследованиям динамической системы «ротор — опора с зазором», находящейся под технологической нагрузкой. Цель исследования — получить выражения для определения эквивалентных жесткостных характеристик системы.

Материалы и методы. Рассмотрен ротор, вращающийся в упругих опорах с зазорами. Предложена динамическая модель, позволяющая рассматривать задачу определения линейных эквивалентных жесткостных характеристик опорных узлов. Для решения задачи составлена система дифференциальных уравнений и выполнен их детальный анализ.

Результаты исследования. Из полученных уравнений динамики рассматриваемой системы можно рассчитать статический угол отклонения цапф ротора, обусловленный действием нагрузки. Предложенные выражения для определения эквивалентных жесткостных характеристик свидетельствуют о том, что можно исследовать динамику ротора как на линейных упругих опорах с указанными выше параметрами.

Проанализирована полученная система уравнений и перечислены все частные случаи применения формул первого приближения для эквивалентных жесткостей опорных узлов ротора.

Обсуждение и заключения. Полученные результаты позволяют исследовать многие динамические процессы на основе линейных дифференциальных уравнений, учитывая нелинейные свойства системы. Для тех строгальных машин, которые используются при работе с кожаными материалами, определение колебаний ротора в горизонтальной плоскости обеспечивает качество и точность операций.

Введение. Статья посвящена математическому анализу фракционного состава пыли, образующейся при работе рельсорезного станка. Установлено, что исследованный полидисперсный материал хорошо описывается однопараметрическим экспоненциальным распределением. В то же время адекватным для достижения целей расчета циклонов представляется логнормальное распределение частиц по размерам, параметры которого определены методами математического программирования.

Целью работы являлась отработка математических методов корректного осреднения размерно-массовых параметров пыли при механической обработке твердых металлов.

Материалы и методы. Изучалась возможность аппроксимировать экспериментальные данные распределениями Розина — Раммлера (классическим, обобщенным трехпараметрическим P(x, D, n, m) и упрощенным экспоненциальным P(x), в котором n = 1). Сопоставлялись соответствующие результаты между собой и с данными аппроксимации логнормальной и двойной логнормальной функциями. Эти результаты свидетельствуют о близком качестве аппроксимации с использованием модельных распределений P(x):

• пятипараметрического двойного логнормального;

• трехпараметрического типа Розина — Раммлера;

• двухпараметрического классического Розина — Раммлера;

• однопараметрического экспоненциального.

Результаты исследования. Первичный физический анализ отходов резания осуществлялся при помощи лабораторно-измерительного комплекса Fritsch Analysette 22 Compact, использующего метод LALLS ― low angle laser scattering. Программное обеспечение комплекса реализует результаты измерений в первичной графической и цифровой формах. Выявлено, что для детального анализа распределения пылевых частиц по размерам на основе экспериментальных данных, лучше прочих подходит простейшее экспоненциальное распределение. На основе этого распределения можно воспроизвести все интегральные показатели, предоставляемые инструментальным измерительным комплексом наряду с графическими данными.

Обсуждение и заключения. Полученные результаты могут быть использованы для рационализации станка местного отсоса, а математические модели и алгоритмы ― для параметрического анализа любой пыли, улавливаемой циклонами.

Введение. В алгоритме прогнозирования ресурса элементов машин взаимодействуют модели внешнего воздействия, сопротивления разрушению и развития во времени того или иного вида повреждения этих элементов.

Рассматриваются прикладные вопросы сопротивления элементов машин усталостному разрушению. Выполняется адаптация научных исследований и нормативных материалов по определению характеристик выносливости к специфике конструкций и материалов строительно-дорожных машин и сельхозтехники. Цель работы ― с помощью анализа существующих методов разработать рекомендации по расчетному определению параметров выносливости конструктивных элементов сельхозмашин.

Материалы и методы. Исходными данными послужили научные исследования механики разрушения машиностроительных материалов и конструкций, а также стандарты по методам определения характеристик выносливости. Необходимость апробации методов определения характеристик выносливости для использования в проектах строительно-дорожных машин и сельхозтехники вытекает из специфики их конструкций, условий работы и отраслевых сортаментов материалов. На основе анализа существующих методов необходимо разработать рекомендации по расчетному определению параметров выносливости конструктивных элементов сельхозмашин.

Для этого элементы несущих систем ступенчатой конструкции были представлены в виде набора пластин соответствующей толщины, а также использована концепция критического радиуса концентратора напряжений в местах сварки. Применены численные методы с использованием математических моделей. Проверка результатов расчетов проведена путем сравнения их с экспериментально определенными характеристиками выносливости элементов зерноуборочного комбайна на испытательном стенде.

Результаты исследования. Получены критические значения радиуса концентраторов напряжений для различных видов сварных швов. Таблицы расчетных и экспериментальных пределов выносливости несущих элементов комбайна хорошо коррелируются и могут использоваться при проектировании.

Обсуждение и заключения. Теоретические основы, заложенные в работе, открывают широкие возможности для приложений к проектированию различных машин. Рассмотренный фрагмент адаптации теоретического подхода к объектам сельскохозяйственного машиностроения может использоваться при проектировании несущих систем в смежных областях машиностроения.

Введение. Рассмотрено структурное состояние поверхностных слоев машиностроительных изделий, изготовленных с применением лазерной обработки на различных режимах облучения. Реализованы структуры с максимально возможной стабильностью по отношению к внешнему воздействию в условиях трения, либо с возможностью оптимальной перестройки и дополнительного упрочнения при эксплуатации путем образования вторичных структур. В условиях эксплуатации под влиянием механических и тепловых импульсов происходит экспрессная перестройка одной структуры в другую, устойчивую на более высоком уровне нагрузочно-скоростных условий. Таким образом, реализуется явление структурно-энергетической приспосабливаемости.

Образующиеся адаптируемые структуры наиболее эффективно рассеивают вводимую в трибосистему энергию и минимизируют износ пар трения.

Материалы и методы. Исследовались образцы из стали Р6М5 помощью следующей аппаратуры:

• технологическая установка Квант-16 с плотностью мощности 100 МВт/м² для импульсного лазерного облучения образцов;

• оптический микроскоп Neophot-21 для металлофизических исследований;

• дифрактометр ДРОН-0,5 для идентификации фазового состава.

Результаты исследования. Установлено, что материал образцов после лазерной обработки способен эффективно рассеивать подводимую при трении энергию с помощью его преобразований на различных структурных уровнях. В результате появляется возможность целевого управления поверхностной прочностью и износостойкостью материалов, используя концепцию структурной приспосабливаемости пар трения, что расширяет их диапазон работоспособности. Износостойкость облученных сталей определяется как их исходной твердостью, так и способностью к деформационному упрочнению в процессе трения. Установлено, что температурно-силовое нагружение поверхностных облученных слоев сталей при трении дестабилизирует аустенит к γ→α превращению, т. е. способствует превращению его в мартенсит деформации.

Обсуждение и заключения. Применительно к конкретным условиям нагружения необходимо регулировать количество и степень стабильности остаточного аустенита в лазерно-закаленных сталях и сплавах, что обеспечивает получение необходимых эксплуатационных свойств.

Введение. Статья посвящена задаче автоматического обнаружения и распознавания автомобильных номеров, решение которой имеет множество потенциальных применений, начиная от обеспечения безопасности и заканчивая управлением трафиком на дорогах. Целью данной работы являлась разработка интеллектуальной системы нахождения и распознавания автомобильных номеров, основанной на применении алгоритмов глубокого обучения и сверточных нейронных сетей, учитывающей различные региональные стандарты автомобильных номеров, и устойчивой к различным расположениям камеры, качеству видео, освещению, погодным условиям и деформациям номерных знаков.

Материалы и методы. Предложен комплексный подход к решению задачи, основанный на применении сверточных нейронных сетей. Проведен экспериментальный анализ нейросетевых моделей, обученных под требования задачи универсального распознавания номерного знака. На его основании были выбраны модели, показывающие лучшее соотношение качества и быстродействия. Качество системы обеспечивается оптимизацией различных моделей с различными модификациями. В частности, сверточные нейронные сети обучались с использованием изображений из нескольких наборов данных. Кроме того, для получения наилучших результатов используемые модели были предобучены на специально сгенерированном синтетическом датасете.

Результаты исследования. В статье приведены численные эксперименты, результаты которых свидетельствуют о превосходстве разработанного алгоритма над коммерческим пакетом OpenALPR на публичных наборах данных. В частности, на наборе данных 2017-IWT4S-HDR_LP-dataset точность распознавания номерных знаков составила 94 процента, а на наборе данных Application-Oriented License Plate 86 процентов.

Обсуждение и заключения. Полученный алгоритм может быть использован для автоматического обнаружения и распознавания автомобильных номеров. Проведенные эксперименты показали, что качество алгоритма не уступает качеству коммерческого пакета OpenALPR. Качество разработанного алгоритма можно увеличивать за счет увеличения тренировочного датасета, что не требует участия разработчика.

Введение. Исследована математическая модель системы мониторинга производственной безопасности в области машиностроения. Цель работы — создание математической модели на основе экспертных оценок параметров безопасности рабочего места с расчетно-экспериментальным обоснованием ее применимости для экспертной системы мониторинга безопасности «СТРАЖ».

Материалы и методы. Предложена классификация экспертных систем для предприятий машиностроения. Рассмотрены этапы создания экспертных систем. Представлена методика оценки согласованности экспертов как основа для моделей экспертных систем в области безопасности машиностроительных производств.

Результаты исследования. Выявлены основные параметры безопасности рабочего места. Создана матрица экспертной оценки параметров, основанная на мнении ведущих экспертов в области машиностроения. Приведены результаты моделирования экспертной системы «СТРАЖ» с расчетно-экспериментальным подтверждением применимости математической модели. Обоснованы преимущества внедрения экспертных систем для повышения уровня безопасности персонала.

Обсуждение и заключения. Полученные результаты имеют высокую степень согласованности экспертов и могут быть использованы в разработке экспертных систем мониторинга безопасности для предприятий машиностроения.

Введение. Рассмотрены принципиально важные проблемы отображения и преобразования структуры, функций и параметров различных свойств в системах организации информационных объектов знаний, а также функционально различных параметров в процессах управления преобразованиями материальных объектов. Для этого используются соответственно структурно-функционально-параметрические модели и параметрические модели.

Разграничение этих понятий актуально и практически значимо. Научная новизна представленной работы заключается в изучении методов и информационных средств, используемых для определения функционально различных технологических схем взаимодействия объектов стадий конструкторской и технологической подготовки производства.

Материалы и методы. Понятие «структурно-функционально-параметрическая модель» связано с определением структуры основных базовых объектов знаний предметной области. В данном случае «связующая база» — это методы и соответствующие средства системной инженерии в технологии информационного логического моделирования, которые используются для решения практических задач. Понятие «параметрическая модель» связано с решением практических задач управления технологическими процессами. Природа этих задач функционально различна (техническая, физическая, химическая, биологическая). Следует уточнить также, что в данном случае речь идет о преобразовании параметров различных свойств реальных объектов методами и средствами системотехники (практически математического аппарата).

Результаты исследования. «Структурно-функционально-параметрическая модель» и «параметрическая модель» — это концептуальные общетеоретические понятия, обладающие инвариантными свойствами, необходимыми для решения практических задач предметной области знаний. Рассматривая с этой точки зрения систему организации и процессы управления, отметим, что следует поддерживать информационные и логические связи между ними в условиях статической и динамической настройки.

Обсуждение и заключения. Для решения практических задач в предметной области знаний по технологии информационного логического моделирования применяются определенные методы, средства, алгоритмы и операции. Наиболее полное отображение и преобразование информационных объектов возможно только в структурно-функционально-параметрических моделях и базах данных их решений. Использование структурно-функционально-параметрических моделей — важнейшее условие успешного перехода к высокоуровневой детерминированной автоматизации информационной технологии для решения практических задач предметной области. В качестве примера такой задачи можно привести техническую подготовку механообрабатывающего производства.