Preview

Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки

Расширенный поиск
Том 47, № 4 (2020)
Скачать выпуск PDF
https://doi.org/10.21822/2073-6185-2020-47-4

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ, МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЕ И ХИМИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ 

8-19 208
Аннотация

Цель. Целью исследования является рассмотрение области применения современных методов разработки и конструирования приборов с использованием средств трехмерного моделирования и симулирования физических процессов. Исследуется оправданность применения и критерии достоверности получаемых результатов при последовательном проектировании механической части электропривода и системы управления.

Метод. Рассматриваются способы модельного представления трехмерных объектов в системах автоматизированного проектирования, а также методы, применимые для решения задач определения деформаций под приложенной нагрузкой. На примере элементарного соединения проведено сравнение получаемых результатов динамической характеристики упругого вала в системе автоматизированного проектирования с расчитанным аналитически.

Результат. Определены основные принципы и соотношения, применимые для описания формы трехмерных моделей. Показаны методы, посредством которых возможно получение информации о массово центровочных характеристиках моделей. Приведены соотношения, которые положены в основу численных методов решения задач об определении упругих деформаций тел. Показана погрешность, которая может проявляться при использовании недостаточно малых элементарных объемов при решении задачи определения упругой деформации.

Вывод. Использование трехмерного моделирования при проектировании сложных технических систем оправдано и ускоряет производственные процессы. Однако не всегда численные методы могут дать точный результат, что ведет к необходимости либо увеличивать сложность расчетов, либо к дополнительной подстройке некоторых параметров проектируемых приборов.

20-26 177
Аннотация

Цель. В статье рассматриваются вопросы формирования экономичных светотранзисторов для создания быстродействующих энергоэффективных компьютерных структур, способных с высоким быстродействием и точностью решать многочисленные задачи. Для этого используются полупроводниковые структуры различного типа, способные испускать и поглощать фотоны для приема и передачи цифровой информации.

Метод. Применение зеркальных электродов позволяет осуществить многократное переотражение сгенерированных фотонов внутри светотранзистора для того, чтобы рекуперировать всю сгенерированную энергию в электричество. Это повышает энергоэффективность транзистора в целом и позволяет реализовать компьютерные устройства с высокой экономичностью, решающие различные задачи.

Результат. Большая часть полезной энергии информационного сигнала будет переноситься от одного электрода к другому, причем перемещение будет иметь более высокую скорость за счет использования фотонов, а не дрейфующих электронов, а также это косвенно увеличит быстродействие светового транзистора во много раз на несколько порядков и позволит эффективно решить задачу реализации более мощных и быстродействующих транзисторов с большей экономической выгодой.

Вывод. Докащаны перспективы для реализации быстродействующих энергоэффективных компьютерных структур на основе, как биполярных транзисторов, так и униполярных транзисторов, а также тиристоров, лазеров и других полупроводниковых компонентов в светоизлучающих структурах.

27-36 181
Аннотация

Цель. Целью исследования является создание расчетной модели термоэлектрической системы (ТЭС) для извлечения инородных объектов (ИО) из тела человека методом примораживания при ее введении в полость, а также исследование происходящих в ней теплофизических процессов.

Метод. Разработана расчетная модель ТЭС для извлечения ИО из тела человека методом примораживания при ее введении в полость, основанная на решении задачи теплопроводности с учетом теплофизических характеристик биологического объекта, ИО, термоэлектрического модуля (ТЭМ).

Результат. В результате численного эксперимента получены графики изменения температуры в различных точках ТЭС при введении ее в организм человека для извлечения инородных объектов в зависимости от мощности ТЭС, параметров материалов модуля, внешних условий. Определено, что в устройстве может быть использован стандартный ТЭМ холодопроизводительностью от 4500 Вт/м2 до 7000 Вт/м2 при продолжительности выхода на режим системы 6-7 мин.

Вывод. Установлено, что подбор параметров ТЭМ должен ориентироваться на ограничения по эксплуатации прибора, а также медицинские нормы и стандарты во избежание процесса обморожения прилежащих тканей, что в предложенной конструкции обеспечивается в полной мере. Предложен способ повышения эффективности системы, согласно которому используется предварительное охлаждение ТЭС внешним источником холода, а также применением форсированных режимов работы ТЭМ.

37-48 215
Аннотация

Цель. Большинство известных компрессоров используют механический привод от электродвигателя для достижения своей цели – перекачки необходимого потребителю количества сжатого воздуха. Во время работы любого компрессора прямого вытеснения выделяется большое количество тепла, которое вырабатывается как за счет трения движущихся частей блока, так и при сжатии воздуха.

Метод. Предложена система охлаждения поршневого компрессора с импульсным потоком теплоносителя с последующим использованием тепла в системе ГВС при помощи пластинчатого теплообменника, зарекомендовавшего себя своей компактностью и эффективностью.

Результат. С целью более глубокого отбора тепла в качестве типа движения нагреваемой линии был предложен импульсный поток, организованный при помощи ударного узла.

Вывод. В качестве оценки системы было проведено сравнение с аналогичной системой со стационарным потоком, как по техническим параметрам (температура рубашки компрессора t руб. ; температура воздуха в ресивере tвозд. ; средняя тепловая мощность N ср. ; коэффициент теплопередачи K ; объём воздуха, перекачиваемый за 1 цикл Vвозд. ) так и по экономическим параметрам (время окупаемости установки по сравнению с аналогичной установкой со стационарным потоком Tок ).

49-56 197
Аннотация

Цель. Целью исследования является получение высококачественных и воспроизводимых по электрофизическим параметрам тонкопленочных металлических слоев от технологии формирования которых, зависит надежность и качество изделий микроэлектроники - кремниевых транзисторов.

Метод. Предложен способ формирования двухслойной металлизации титан-германий для создания контакта и отвода тепла от коллекторного перехода мощных полупроводниковых транзисторов на обратной стороне пластин с сформированными структурами. Предложенный метод обеспечивает качество паяного соединения и термостабилизацию полупроводниковых приборов, увеличивая надежность работы исследуемых приборов в системах радиоэлектронной аппаратуры.

Результат. Данное сочетание напыляемых металлов обеспечивает получение надежного контакта к коллекторной области при посадке кристалла на основание корпуса, которое приводит к уменьшению сопротивления омического перехода и увеличивает процент выхода годных приборов.

Вывод. По результатам экспериментальных исследований были получены оптимальные толщины слоев металлов напыляемых на обратную сторону кристаллов транзисторов при формировании металлизации для посадки кристаллов на основание корпуса. Исследована стабильность системы Ti-Ge. Техническим результатом исследований является повышение качества посадки за счет получения равномерного распределения слоя Ti-Ge в едином технологическом цикле при заданной температуре с определенной толщиной отдельно каждого металла.

57-68 213
Аннотация

Цель. Целью работы является решение несвязанной нестационарной задачи термоэлектроупругости для длинного полого пьезокерамического цилиндра при действии на его поверхностях электрической нагрузки в виде разности потенциалов.

Метод. Математическая формулировка рассматриваемой задачи термоэлектроупругости включает систему несамосопряженных дифференциальных уравнений. Для ее решения на первом этапе рассматривается связанная задача обратного пьезоэффекта без учета влияния температурного поля, а на следующем – исследуется гиперболическая задача теплопроводности (LS–теория) при заданном (определенном) электроупругом поле.

Результат. Построено новое замкнутое решение динамической задачи обратного пьезоэффекта для длинного пьезокерамического термоупругого цилиндра. Рассматривается случай действия на его лицевых поверхностях нестационарной электрической нагрузки в виде разности потенциалов. Заданы температура окружающей среды и закон конвекционного теплообмена (граничное условие 3– рода). Расчетные соотношения, полученные с помощью обобщенного метода конечных интегральных преобразований, дают возможность определить напряженно–деформированное состояние и термоэлектрические поля, индуцируемые в пьезокерамическом элементе при произвольном электрическом внешнем воздействии.

Вывод. Построенное решение позволяет определить напряженно–деформированное состояние и электрическое поле в пьезокерамическом цилиндре, а также проанализировать с помощью гиперболической LS–теории теплопроводности влияние индуцируемого температурного поля на электроупругое состояние рассматриваемой системы. Анализ численных результатов позволяет сделать вывод о незначительных потерях энергии, связанных с нагревом электроупругой системы. Разработанный алгоритм расчета находит свое применение при проектировании нерезонансных и резонансных пьезоэлектрических измерительных приборов.

69-80 176
Аннотация

Цель. В статье приведены результаты исследования влияния геометрии корпуса на буксировочное сопротивление и скорость движения на воде паромных машин при преодолении водных преград.

Метод. Для исследования степени влияния геометрии корпуса на сопротивление воды движению паромной машины применяются методы трехмерного моделирования в CAD- и CAE- пакетах, позволяющие с достоверной точностью моделировать рабочие процессы, протекающие при обтекании самоходных паромов.

Результат. Проведен анализ результатов численного моделирования движения по воде паромной машины исходной конструкции. Определены достоинства и недостатки паромно-мостовой машины исходной конструкции, предложены различные варианты исполнения конструктивно-компоновочных схем, использование которых позволяет добиться повышения скоростных и маневровых характеристик паромных машин.

Вывод. Предложен вариант конструктивно-компоновочной схемы самоходного парома, позволяющий добиться повышения гидродинамических характеристик корпуса паромной машины путем использования современных технических решений, направленных на снижение буксировочного сопротивления и повышения скорости транспортировки при преодолении водных преград.

81-91 189
Аннотация

Цель. Целью исследования является разработка расчетной модели системы охлаждения электронной аппаратуры, основанной на комбинированном использовании сильноточных термоэлектрических полупроводниковых батарей (ТЭБ) слоистого исполнения и испарительно-конденсационного теплового термосифона, а также исследование теплофизических процессов происходящих при ее работе.

Метод. Приведена математическая модель системы охлаждения электронной аппаратуры, основанная на комбинированном использовании сильноточных ТЭБ слоистого исполнения и испарительно-конденсационного теплового термосифона. Расчетная модель включает в себя описание процессов теплообмена в термоэлементе (ТЭ) слоистого исполнения при различных токах питания, определение количества теплоты переносимое через сечение канала теплового термосифона за единицу времени и значения температуры в каждой точке канала.

Результат. Решена двумерная нестационарная задача теплопроводности для сложной системы с прямоугольной геометрией фрагментов и источников теплоты. Исследовано распределение температуры термоэлемента вдоль его продольной оси при различной величине тока питания, изменение теплового потока по длине теплового потока в тепловом испарительно-конденсационном термосифоне.

Вывод. Результаты исследований показали эффективность комбинированного использования сильноточных ТЭБ слоистого исполнения и теплового термосифона в электронной аппаратуре с плотной упаковкой элементов. Показано, что увеличить эффективность работы электронной аппаратуры и уменьшить тепловые потери, возникающие в теплопроводе при сопряжении тепловыделяющего элемента радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и термоэлектрических полупроводниковых батарей удаленных друг от друга на достаточно большое расстояние (свыше 0,6 м), целесообразным является использование в качестве теплопровода, испарительноконденсационного теплового термосифона.

ИНФОРМАТИКА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И УПРАВЛЕНИЕ 

92-100 187
Аннотация

Цель. В данной статье рассмотрена проблема повышения эффективности синтеза нечеткого регулятора в системе управления с помощью генетического алгоритма. Подбор наилучших параметров нечеткого регулятора осуществляется с помощью операторов кроссинговера и мутации в генетическом алгоритме. Работа оператора мутации может привести к формированию некорректного набора параметров, что усложняет процедуру синтеза нечеткого регулятора.

Метод. Методом математического моделирования составляются массивы наборов параметров функций принадлежности, заключений и весов правил, которые входят в нечеткий регулятор. Методом имитационного моделирования описывается механизм работы операторов одноточечной и двухточечной вариации в генетическом алгоритме.

Результат. Предложены математические модели одноточечного и двухточечного оператора вариации для генетического алгоритма. Представлен механизм изменения значений элементов в массиве набора параметров нечеткого регулятора с одной входной и выходной переменной.

Вывод. Замена оператора мутации на оператор вариации исключает формирование некорректных наборов параметров нечеткого регулятора в системе управления.

101-111 181
Аннотация

Цель. Исследование структуры земной коры через определение скоростей сейсмических волн по предварительно разбитым участкам земной коры.

Метод. Для определения скоростей сейсмических волн предлагается два математических метода. В основе первого лежит метод средневзвешенного, а второго - решение систем линейных алгебраических уравнений матричным методом. В качестве исходных параметров при расчетах используются данные произошедших землетрясений - координаты гипоцентров землетрясений и сейсмодатчиков, а также времена пробега сейсмических волн от гипоцентра землетрясения до сейсмодатчиков.

Результат. Решена задача определения скоростей распространения сейсмических волн на различных участках земной коры двумя различными методами. Получены плотности распределения ошибок в определении скоростей сейсмических волн для метода средневзвешенного, в шести различных ситуациях распределения скоростей сейсмических волн на местности, и для матричного метода, в случае распределения скоростей сейсмических волн на местности в шахматном порядке.

Вывод. Предложенные методы позволят уточнять координаты очагов произошедших землетрясений; использование метода итераций позволяет значительно улучшить точности определения координат гипоцентра землетрясения и скоростей сейсмических волн на различных участках. Наличие, при расчетах, значений скоростей сейсмических волн на различных участках земной коры позволяет определять координаты очага землетрясения по новым методам, основанным на использовании фигуры второго порядка – гиперболоида, которые ранее сейсмологами не применялись.

СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА 

112-121 166
Аннотация

Цель. Описывается семейство многослойных конечных элементов, предназначенных для расчета железобетонных плит и оболочек переменной толщины. Рассматриваются особенности формирования матриц жесткости, связанные с переменностью сечения элементов.

Метод. В основе семейства лежит простейший плоский треугольный элемент, построенный с использованием гипотезы Кирхгофа. Поперечные перемещения в этом элементе аппроксимируются неполным кубическим полиномом. Такой элемент непригоден для практического применения, но на его основе построены усовершенствованные элементы трех- и четырехугольной формы в плане. Особое внимание уделено учету переменности поперечного сечения.

Результат. Приводятся результаты тестирования разработанных элементов и показываются преимущества их использования в практике проектирования и расчета конструкций.

Вывод. Разработанный программный комплекс ПРИНС может оказаться полезным при проектировании и расчете конструкций, содержащих плиты переменной толщины.

122-131 173
Аннотация

Цель. Целью исследования является определение требований, предъявляемым к различным устройствам гидромелиоративных машин, получивших широкое распространение при строительстве каналов и дрен, для поддерживания заданного уклона, а также расчет исполнительного механизма, служащего для устранения колебательных перемещений рабочего органа относительно линии заданного уклона.

Метод. Приведено математическое описание колебаний рабочего органа для гусеничных гидромелиоративных машин с навесными рабочими органами.

Результат. В статье приведены результаты исследований по выявлению основных факторов, влияющих на колебания рабочего органа гусеничных мелиоративных машин. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований было установлено, что при переезде гусеничной машиной с жестким ходовым оборудованием единичных и многочисленных неровностей, перемещения режущей кромки жестко навешенного рабочего органа графически изображаются синусоидальными кривыми. Полученные зависимости дают возможность провести расчеты автоматической системы выдерживания заданного уклона, и установить область устойчивых режимов работы системы. Приведен геометрический способ оптимизации шарнирной навески рабочего органа бестраншейных дреноукладчиков.

Вывод. Предложенные методы повышения эксплуатационных показателей гусеничных гидромелиоративных машин с навесными рабочими органами при движении по неровностям грунтовой поверхности могут быть применены при создании широкого класса навесных землеройных машин, как с пассивными, так и с активными рабочими органами.

132-140 191
Аннотация

Цель. Целью работы является мониторинг процессов разрушения прибрежных зон в рамках программы экология безопасного строительства и городского хозяйства для прогнозирования и предотвращения рисков, а также обеспечения информативности дальнейших работ по построению надежной береговой защиты. Несмотря на существующее разнообразие способов защиты насыпей от эрозии, поиск новых технических решений на данный момент продолжает оставаться актуальной задачей.

Метод. Проведен геотехнический мониторинг гидротехнических сооружений и даны визуальные оценки трещин, наклонов отдельных блоков конструкции, деформаций. Использован прибор тепловизор, применяемый для поиска аномальных температур, и электронный скрерометр, измеряющий прочность бетона.

Результат. Определено, что водный режим Астраханской области отличается неравномерным распределением стока из-за прямой зависимости от расхода с Волгоградской ГЭС. Преобладающим источником попадания влаги являются сбросы в виде серии дождевых паводков, которые часто вызывают наводнения. Одним из эффективных решений является сохранение эксплуатационных характеристик берегоукрепительной шпорой-сваей переменного сечения при изменении гидрологического режима реки. Берегоукрепительная шпора выполняется ограниченно подвижной по горизонтали и вертикали и включает: голову шпоры в виде сваи переменной высоты; тело в виде плавучей гирлянды переменного сечения; основание в виде подвижного блока с возможностью перемещения. Конструктивно-технологическое решение позволяет перекрывать телом шпоры прибрежный поток при любом уровне воды; изменять угол наклона шпоры по отношению к защищаемому берегу.

Вывод. Предотвращение чрезвычайных ситуаций, особенно в урбанизированных районах, подверженных интенсивному антропогенному воздействию, возможно только при строительстве инженерных защитных сооружений, которые имеют положительный эффект как в защитном, так и в экологическом аспектах.

141-150 179
Аннотация

Цель. В настоящем исследовании поставлена задача установить теоретические предпосылки работоспособности регрессивно-прогрессивного упругого механизма путем сопоставления с линейной упругой системой сопоставимой жесткости в положении статического равновесия сравнением амплитудно-частотной характеристик и фазовых траекторий.

Метод. В статье проводится сравнительный динамический анализ колебаний упругих систем с линейной жесткостью и с регрессивно-прогрессивной характеристикой, полученной в результате использования упругих элементов в виде стержней большой гибкости с продольным внецентренным сжатием. Такие упругие элементы в различных конструктивных вариантах были испытаны и запатентованы в качестве демпфирующих для использования в конструкции гасителей колебаний строительных сооружений и подвесок транспортных средств и в эксперименте показали свою эффективность в гашении колебаний.

Результат. Регрессивно-прогрессивная упругая характеристика, полученная методом эллиптических параметров и с помощью расчетного комплекса ANSIS, используется в уравнениях динамики в аппроксимированном виде, что расширяет возможности метода. Показано, что повышение энергоемкости нелинейной системы позволяет уменьшить амплитуду колебаний.

Вывод. Регрессивно-прогрессивный характер изменения жесткости нелинейной упругой системы, может быть достигнут при использовании упругого элемента с внецентренным продольным сжатием, причем регрессивный участок упругой характеристики достигается именно за счет внецентренного сжатия, а прогрессивный участок – за счет применения поводка или других конструктивных решений. Реализация характеристики позволяет использовать такие упругие механизмы в системах, когда при одном и том же возмущении накапливание потенциальной энергии происходит с меньшим ходом сжатия, чем для линейных систем.

151-161 250
Аннотация

Цель. В статье рассматривается проблема обеспечения жесткости каркасного деревянного многоэтажного здания и способы достижения необходимой пространственной жесткости с учетом требований сохранения внутреннего объема и свободного пространства. В целях повышения экономической эффективности проекта предусмотрен случай избытка пространственной жесткости и меры ее оптимизации.

Метод. Более простым и менее трудоемким методом является первоначальная оценка площади сечения жесткостных элементов, которые будут воспринимать ветровую нагрузку. Авторами предложен способ предварительного вычисления жесткости здания с последующей корректировкой в расчетной схеме.

Результат. Составлена расчетная схема каркаса здания в программном комплексе Scad Office с целью учета влияния собственного веса конструкций, перераспределения усилий и перемещений за счет пространственной работы каркаса, с последующей корректировкой сечений жесткостных элементов.

Вывод. Наиболее рациональным и наименее трудоемким методом численного расчета жесткости является первоначальная оценка площади сечения системы жесткостных элементов. С его помощью возможно избежать избытка пространственной жесткости здания и сократить время и трудозатраты на подбор и выбор места расположения жесткостных элементов.

162-171 210
Аннотация

Цель. Целью исследования является проектирование шпренгельных балок, которые имеют оптимальные по расходу металла параметры.

Метод. Используется математическое моделирование работы шпренгельной балки с упругоподатливой в середине пролёта опорой. На основании решения соответствующего дифференциального уравнения поперечного изгиба верхней перекладины шпренгельной балки получены расчётные формулы.

Результат. Разработана методика, позволяющая оптимизировать конструктивные параметры шпренгельной балки с одной стойкой. Приведены конструктивные расчётные схемы, а также формулы, которые дают возможность назначать параметры конструкции, обеспечивающие минимум расхода металла при соблюдении технологической простоты изготовления шпренгельной балки. Построен алгоритм, используя которого можно проектировать шпренгельные балки с одной стойкой. Полученные расчётные формулы локаничны и просты при использовании.

Вывод. Предлагаемая методика позволяет уменьшить собстенный вес шпренгелной балки с одной стойкой до 60% по сравнению с обычными балками.



Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2073-6185 (Print)
ISSN 2542-095X (Online)