Preview

Известия Юго-Западного государственного университета

Расширенный поиск
Том 23, № 4 (2019)
Скачать выпуск PDF
https://doi.org/10.21869/2223-1560-2019-23-4

Машиностроение и машиноведение

8-18 117
Аннотация

Цель исследования. Данная работа посвящена решению одной из проблем, связанных с управлением шагающими роботами на основе их динамической математической модели, − наличию в ней явных механических связей, обусловленных реакциями связей с опорной поверхностью. Для решения указанной проблемы предлагается использовать полносвязную нейронную сеть для оценки сил нормальных реакций между поверхностью и стопами двуногого шагающего робота во время реализации им одного шага.

Методы. В работе рассмотрены две архитектуры нейронной сети, основанные на полносвязных слоях с ReLU активационными функциями. Архитектура нейронной сети включает в себя пять полносвязных слоев (входной, выходной и три скрытых), а альтернативная архитектура  включает в себя слой прореживания после каждого полносвязного слоя. Входными данными для сети являются состояние робота и требуемые управляющие воздействия, а выходными − предсказанные силы реакции. Обучающая выборка генерируется с помощью моделирования полной динамической модели робота. Сеть построена и обучена с использованием библиотек машинного обучения Keras и TensorFlow.

Результаты. Описана генерация обучающей выборки для нейронной сети, проведено обучение двух архитектур нейронных сетей. На основании данных моделирования установлено, что обе обученные нейронные сети способны точно предсказывать значения нормальных реакций с использованием значений обобщенных координат и скоростей, а также управляющих воздействий в качестве входных данных, однако при этом наблюдается статическая ошибка предсказания.

Заключение. Полученные в рамках статьи результаты могут в дальнейшем использоваться для управления движением двуногих шагающих роботов по различным типам поверхностей. 

19-30 49
Аннотация

Цель исследования.  Экстремальные условия работы элементов современных конструкций, сложность их формы и большие габариты делают исключительно трудным и дорогим осуществление натурного или полунатурного эксперимента, особенно, если речь идет об установлении предельных (разрушающих) нагрузок, поэтому при прочностных расчетах необходимо прибегать к численным методам, к которым относится и метод конечных элементов. Метод конечных элементов не ограничен ни формой конструкции, ни способом приложения нагрузки.Наиболее ответственной частью конструкции являются сварные соединения. Нередки случаи, когда разрушение конструкции происходило в области сварки. В связи этим данная работа посвящена исследованию напряжений, возникающих при нагружении, в сварных соединениях пневматического баллона.

Методы. В данной статье используется расчет методом конечных элементов сварных соединений пневматического баллона в программном комплексе APMFEM.

Результаты. Приведенные в статье результаты исследования показывают, что распределение напряжений в сварных соединениях отличается в различных разрезах и расположении в конструкции.

Заключение. Применение метода конечных элементов позволяет оценить распределение напряжений в сварном соединении в конкретном сечении, таким образом, позволяя подобрать необходимое конструк-тивное исполнение и рационально расположить сварное соединение.

31-41 45
Аннотация

Целью работы являлось исследование гранулометрического состава электроэрозионного хромсодер-жащего порошка, пригодного для наплавки покрытий.

Методы. Для выполнения намеченных исследований были выбраны отходы хромсодержащей стали. В качестве рабочей жидкости выбрали углеродсодержащую рабочую жидкость, а именно осветительный керосин. Для получения хромсодержащих порошковых материалов электроэрозионным диспергированием пользовались установкой для ЭЭД токопроводящих материалов. Диспергируемый материал засыпали в эксикатор, который заполнен рабочей жидкостью, а именно осветительным керосином. Грануломет-рический состав полученных порошков авторы исследовали по методике диспергирования в жидкости с ультразвуком. Методика исследования (ФР 1.27.2009.06762 «Методика выполнения измерений размера частиц в суспензиях, эмульсиях и аэрозолях в нанометровом и коллоидном диапазонах с использованием эффекта динамического рассеяния света»).

Результаты. Экспериментально установлено, чтофортформа частиц полученного порошковогофортматериала обусловлена тем, в каком виде материал выбрасывается из лунки в процессе ЭЭД. Видно также, что в порошковом материале превалируютфортчастицы, имеющие правильную сферическую или эллиптическую форму. Они получаются кристаллизацией расплавленного материала (жидкой фазы). Частицы, образующиесяфортпри кристаллизации кипящего материала (паровой фазы), имеют неправильную форму, размер на порядок меньше частиц, образующихся из жидкой фазы, и обычно агломерируются друг с другомфорти на поверхностифортдругих частиц. В процессе ЭЭД такие частицы наиболее подвержены химическим и фазовым изменениям.

Заключение. Проведенные исследования гранулометрического состава хромсодержащего порошкового материала, полученного электроэрозионным диспергированием отходов в керосине осветительном прифортследующих электрических параметрах работы установки ЭЭД: ёмкость разрядных конденсаторов 45 мкФ, напряжение на электродах 100... 110 В, частота следования импульсов генератора 55... 65 Гц, определили средний размер частиц порошкового материала, удельную площадь поверхности. Полученные результаты позволятфортопределить рациональную область их практического применения.
42-56 47
Аннотация

Цель исследования. В статье проведено математическое моделирование и исследование движения кон-вертоплана, выполненного по квадрокоптерной схеме, в переходных режимах, под которым будем пони-мать момент перехода аппарата из вертикального полета в горизонтальный и обратно, осущест-вляемый за счет изменения направления вектора тяги несущих винтов. Такие задачи изучены недоста-точно, а именно, при выполнении таких маневров может происходить значительное отклонение конвер-топлана от заданной траектории, а при определенных условиях потеря его управляемости и падение. Поэтому целью данной статьи является изучение основных закономерностей движения в переходных режимах и особенностей алгоритмов управления на основе математических моделей, описывающих управляемое движение малогабаритных беспилотных конвертопланов.

Методы. Для решения поставленных задач использовались методы теоретической механики и механики роботов, матричный подход к определению радиус-векторов и их производных для основных точек звеньев механизма. Достоинствами матричного метода являются простота, универсальность правил при выборе осей координат для формирования матриц перехода. При  изучении закономерностей движе-ния конвертоплана использовались методыматематического моделирования динамических систем с учетом свойств электроприводов, кинематики вращения корпуса, алгоритмов формирования управляю-щих напряжений, и внешних периодических возмущений. При разработке управляющих алгоритмов исполь-зовались методы теории автоматического управления. Управление  осуществлялось  программно с помощью ПИД регулятора, позволяющего минимизировать фактические и требуемые значения управ-ляемой величины.

Результаты. Выявлено, что при отклонении несущих винтов возникают связанные колебания, опреде-лена область параметров регулятора, при которых эти колебания в переходный период затухают и конвертоплан восстанавливает равновесное состояние. Так же выявлены зависимости отклонения реальной позиции аппарата от заданной по координатам ОХ, OY при изменении значений коэффициента дифференциальной и пропорциональной составляющих регулятора САУ соответственно. Характер изменения графиков свидетельствует о существенном влиянии коэффициентов регулятора на характер переходного процесса в части амплитудных значений ошибки и времени переходного процесса.

Заключение. Разработана математическая модель и выполнено математическое моделирование движения конвертоплана в переходных режимах движения. Показано, что управление углом тангажа, а так же движение в вертикальной плоскости состоят из нескольких контуров пропорционально-диффе-ренциального управления, поэтому необходимо, что бы каждый контур имел схему, препятствующую значительному отклонению управляемых параметров от заданных значений, при которых обеспечи-вается устойчивый переход конвертоплана в горизонтальное положение. Определены параметры минимизации средней квадратической ошибки.
57-71 82
Аннотация

Целью работы являлось исследование влияния гранулометрического состава электроэрозионных кобальтохромовых порошков на физико-механические свойства аддитивных изделий.

Методы. Для выполнения намеченных исследований были выбраны отходы кобальтохромового сплава марки КХМС «ЦЕЛЛИТ». В качестве рабочей жидкости – спирт бутиловый. Для получения кобальто-хромовых порошковых материалов электроэрозионным диспергированием пользовались установкой для ЭЭД токопроводящих материалов. Диспергируемый материал засыпали в эксикатор, заполненный бути-ловым спиртом, который используется в качестве рабочей жидкости для диспергирования. Бутиловый спирт C4H9OH – представитель одноатомных спиртов. Это бесцветная немного вязкая жидкость, не имеющая цвета и со свойственным сивушному маслу запахом. Смешивается с органическими растворителями. Бутанол используют в качестве растворителя в лакокрасочной промышленности, при изготовлении смол и пластификаторов, а также во многих других отраслях. Для получения эксперимен-тальных образцов аддитивных изделий использовалась установка для послойного нанесения порошковых материалов плазмой. Гранулометрический состав полученных порошков авторы исследовали по методике диспергирования в жидкости с ультразвуком. Методика исследования (ФР 1.27.2009.06762 «Методика выполнения измерений размера частиц в суспензиях, эмульсиях и аэрозолях в нанометровом и коллоидном диапазонах с использованием эффекта динамического рассеяния света»).

Результаты. Экспериментально установлено, что условия получения и дисперсность порошков определяют их поведение при спекании.С увеличением дисперсности порошка процесс спекания ускоря-ется и протекает более активно, а механические свойства полученных изделий при этом повышаются.Интенсификации спекания порошка способствуют оксиды, содержащиеся в большом количестве в мелких порошках и восстанавливающиеся при их нагреве при спекании. Губчатая металлическая поверхность, образующаяся после исчезновения оксида, оказывается более активной, чем поверхность изначально свободная от оксидной пленки.С увеличением дисперсности и удельной поверхности порошка его проплавление увеличивается, пористость уменьшается, а микротвердость при этом увеличивается. Наличие частиц порошка разных фракций увеличивает плотность его усадки за счет заполнения впадин и микропор на стыках крупных частиц, что в дальнейшем приводит к снижению шероховатости спеченных изделий и повышению предела прочности при сжатии и изгибе.

Заключение. Проведенные исследования позволят выявить связь между технологией получения электроэрозионных кобальтохромовых порошков и физико-механическими свойствами (пористость, микротвердость, предел прочности на сжатие и изгиб, шероховатость поверхностного слоя и др.) экспериментальных образцов, а также управлять процессом формирования структуры и свойств изделий, полученных по аддитивным технологиям.

Строительство

72-83 60
Аннотация

Цель исследования. В данной статье рассматривается влияние изменения расчетной длины элементов рамно-стержневых конструктивных систем, работающих в условиях стесненной бифуркации.

Методы.За критерий формы потери устойчивости элемента рамно-стержневой конструктивной системы принят знак работы концевых моментов и поперечных сил. С использованием указанного критерия получено выражение для оценки влияния изменения расчетной длины стоек рамы на критические параметры всей системы, позволяющее варьированием геометрией конструкции влиять на ее работоспособность.В качестве примера определены критические параметры устойчивости двухпро-летной рамы, спроектированной из древесины деревянной, к среднему элементу  которой прикладываем центральную силу Ркр, а к крайним – приложены силы с умножением на коэффициент α- αРкр. Выявлен вид бифуркации элементов рассматриваемой конструктивной системы (стесненной или принужденной) до и после изменения расчетной длины ее элементов. Вычисление неизвестных реакций и внутренних усилий системы выполнялось с применением специальных функций метода перемещений.

Результаты. Изменение расчетной длины элементов, теряющих устойчивость пассивно, не оказывает существенного влияния на критические параметры устойчивости рамно-стержневой конструктивной системы. При этом уменьшение на 30% расчётной длины стоек, находящихся в активной бифуркации, приводит к снижению критической силы на 50 %.

Заключение. Представлены достаточно простые алгебраические зависимости, позволяющие выявлять элементы рамно-стержневых систем, изменение расчетной длины которых оказывает существенное влияние на критические параметры устойчивости всей конструкции. При этом приведенные критерии позволяют оценивать ресурс сопротивления центрально сжатых элементов рамно-стержневых конструктивных систем.
84-92 36
Аннотация

Цель исследования. Целью работы является установление зависимости между стандартами современ-ного строительства, связанными с зональностью почв и активностью микроорганизмов, усиливающих азот на МПА и КАА, необходимых для здорового функционирования окружающей среды.

Методы. На сегодняшний день в эпоху индустриальных технологий  особенно актуальным стал вопрос максимально эффективного использования как промышленных, так и природных ресурсов. Эффек-тивность использования заключается не только в максимизации прибыли, извлекаемой из объектов индустриализации, но и в оптимизации при взаимодействии таких компонентов народнохозяйственного эффекта, как совокупности информационной базы для расчета эффективности, определения эффекта проектирования строительства как доли в общем эффекте проекта индустриализации, а так же учета социальных и экологических последствий инвестиционного проекта. Иерархия оценочных параметров  на сегодняшний день существенно отличается от оценок ранних периодов реализации проектов и социальная составляющая в настоящее время является определяющей. При расчете и построении моделей использовались статистические методы контроля и корреляционно-регрессионный анализ.

Результаты.К социальным результатам реализации строительных проектов является улучшение как жилищных, так и культурно-бытовых условий людей, улучшение условий труда, оптимизация снабжения населенных пунктов отдельными видами товаров и услуг, улучшение уровня жизни при минимальной нагрузке на окружающую среду, являющуюся объектом, на который направлен проект индустриализации. В работе по установленным зависимостям разработаны возможности альтернативного использования земельных ресурсов зависимости от потенциальной активности хемоорганотрофных бактерий и актиномицетов, генезиса почв, предполагаемых для застройки, на территориях, отчуждаемых для этих целей.

Заключение. Для сохранения земельных ресурсов и плодородного слоя почвы со временем еще актуальнее становится решение одной из важнейших задач для современного общества. А именно создание комфортной среды обитания для человека, поддержание биологического круговорота, вовлечение в него новых параметров оценки с целью улучшения качества и продолжительности жизни.

Информатика, вычислительная техника и управление

93-104 51
Аннотация

Цель исследования. В данной статье рассматриваются различные способы защиты информации, применяющиеся в разных странах, а также проводится анализ и сравнение степени развития данной сферы в Российской Федерации. Приводится краткая история возникновения и последующая динамика развития этой области в разных государствах. Целью данной статьи является анализ законодательств различных стран (законов, подзаконных актов, указов), связанных со сферой информации и защитой персональных данных, и разработка метода, позволяющего повысить долю предотвращенных атак на информационные системы.

Методы. Была изучена специфика форм защиты информации в следующих странах: Российская Федерация, Соединенные Штаты Америки, Германия, Франция. В статье описываются существующие на сегодняшний моментглобальные международные стандарты по стандартизации мер и систем безопасности, относящиеся к системе под названием  ISO/IEC 27000, и уровень их внедрения в России. В качестве метода исследования был выбран метод иерархий Саати. 

Результаты. Проведенное исследование позволило выявить возможные недостатки защиты информационного поля России с помощью проведения аналогии с другими, более развитыми в данном аспекте странами. Законодательная база России содержит множество законов и постановлений, которые затрагивают тему защиты и обработки персональных данных пользователей, но их количество и четкость организации не является достаточной и требует улучшения.

Заключение. В ходе анализа был сделан вывод, что в России охране информационных данных уделяется значительное внимание, действует ряд федеральных законов, однако нормативно-правовая база Россий-ской Федерации, целью которой является защита информации и персональных данных, имеет относи-тельно небольшую историю развития и нуждается в доработке.

105-115 49
Аннотация

Цель исследования: Данная работа представляет собой формализацию системы управления региональ-ной социально-экономической системой на основе принципов и понятий теории управления.

Методы. Показано, что описание элементов и причинно-следственных связей в системе управления региональной социально-экономической системой на основе принципов и понятий теории управления поддается четкой формализации. При таком подходе обеспечивается решение задачи регионального государственного управления с точки зрения учета влияния возмущений внешней среды. В качестве задающего воздействия выступают Национальные проекты РФ, которые через управляющее устрой-ство формируют управляющее воздействие на региональную социально-экономическую систему. Система обратной отрицательной связи позволяет скорректировать изменение выходных координат объекта управления в соответствии с целевыми установками Национальных проектов. Внешняя среда рассматривается в системе как «мешающая» запланированной траектории развития региональной социально-экономической системе, продуцируя основные возмущения и помехи. Сформулирована целевая задача системы управления с позиций теории управления: максимально сократить разрыв между желаемой траекторией развития региона, определяемой Национальными проектами, и его реальными трендами.

Результаты. Представлены структура и функциональные компоненты системы управления региональ-ной социально-экономической системой. Основными элементами являются: внешняя среда, объект управления (региональная социально-экономическая система), устройство управления (система поддерж-ки принятия решений «ДАТА»), исполнительное устройство (абстрактный госслужащий), три измери-тельных устройства и три контролирующих устройства. Представлены принципы управления разработанной системы. Приведены классификационные признаки разработанной системы управления региональной социально-экономической системы как сложной системы (декомпозиция, децентрализация, иерархическое управление и многорежимное управление), а также решаемые иерархические задачи (стратегического, тактического и локального уровня).

Заключение. Применение теории управления для формализации прикладных процессов, происходящих в региональных социально-экономических системах, позволяет прописать внутренние взаимосвязи. Это позволяет описать математические модели объекта управления и внешней среды, а также использовать СППР «ДАТА» в повседневной практике регионального управления.

116-128 36
Аннотация

Цель исследования.Настоящая работа посвящена разработке алгоритма прогнозирования и пре-дотвращения нештатных ситуаций в системах контроля движения промышленной продукции на основе анализа данных мультикодовой маркировки.

Методы.В настоящее время для идентификации промышленной продукции в основном используется маркировка изделий с помощью штрих-кода или радиочастотных меток. Существует огромное количество методов и алгоритмов их обнаружения, распознавания и идентификации, однако все они носят индивидуальный характер. В частности, идентифицируют изделие по одной метке, которых на нем может быть множество. Наличие большого количества меток на изделии объясняется тем, что каждый этап жизненного цикла предполагает собственные механизмы маркировки и идентификации. Так, на производстве изделие маркируется соответствующей меткой, при транспортировке оно может получить еще одну метку, связанную с программным обеспечением транспортной кампании, при реали-зации товаров изделие может получить еще несколько меток системы идентификации продавца и т.д. В другом случае мультикодовую маркировку (множество различных меток на одном изделии) можно использовать для повышения достоверности результатов систем идентификации и оперативности транспортировки путем отказа от операции поворота изделия маркировкой к считывателю.

Результаты. В работе предлагается организовать связь между различными маркировками одного и того же изделия с использованием методов контроля целостности и комбинаторики. Развитием этого подхода является использование методов имитационного моделирования для разработки подходов к прогнозированию и предотвращению нештатных ситуаций в ходе перемещения продукции. Проведены экспериментальные исследования для определения вероятности идентификации штрих-кода на изделии для определения минимального количества меток типа штрих-код для маркировки металлических труб (ОАО «Выксунский металлургический завод»).

Заключение. В статье проведен обзор и сравнительный анализ систем аналогов. Приведено описание алгоритма прогнозирования и предотвращения нештатных ситуаций в ходе перемещения продукции на основе имитационной модели процесса транспортировки изделий по территории ТЭСЦ-3 ОАО «Выксунский металлургический завод». Результаты имитационного моделирования показали эффек-тивное использование предложенных методов для дальнейшей реализации и внедрения на предприятие.
129-144 30
Аннотация

Цель. Одним из основных условий возникновения жидкостного трения является условие наличия изменяющегося зазора, которое обычно именуют геометрическим клином, однако это условие не является обязательным и эффект геометрического клина может быть заменен клином вязкостным. Эффект вязкостного клина для ньютоновских жидкостей может быть вызван температурной неоднородностью, а для неньютоновских – дополнительной причиной может быть неоднородность поля тензора скоростей деформаций. Таким образом, управляя температурным полем в смазочном слое можно обеспечить дополнительную несущую способность в опоре жидкостного трения, кроме того появляется возможность минимизировать потерю мощности на трение. Целью данной работы является создание управляемого температурно-вязкостного клина в подшипнике жидкостного трения. Физическая реали-зация данного эффекта достигается с помощью многозонной подачи смазочного материала переменной температуры.

Методы. Используются методы планирования и организации эксперимента, анализ результатов проводился путем построения траекторий и АЧХ разверток колебаний. Для решения задачи сенсорного и программного определения состояния подшипника и условий смазки используются современные методы машинного обучения, а именно, разработана искусственная нейронная сеть прямого распространения с логистическими функциями активации, позволяющая по данным измерений виброперемещений ротора и давления жидкости в подшипнике определять способ подачи смазки. Как вспомогательные используются методы линейной алгебры и безусловной оптимизации.

Результаты. Разработана экспериментальная установка в виде роторно-опорной системы с многозон-ной подачей смазочного материала с информационно-измерительной системой, позволяющей получать виброперемещения ротора и давление подачи жидкости; для мониторинга состояния подшип-ника и условий смазки разработана математическая модель в виде искусственной нейронной сети прямого распространения с одним скрытым слоем.

Заключение.Искусственный температурно-вязкостный клин и многозонная подача смазочного мате-риала в подшипник жидкостного трения оказывают значимое влияние на состояние гидромеханической системы. Это влияние с точностью более 95% удалось установить с помощью искусственной нейронной сети после обработки данных измерений виброперемещений ротора и давления жидкости в подшипнике.



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


ISSN 2223-1560 (Print)
ISSN 2686-6757 (Online)