Инженерно-физический метод синтеза технических решений преобразователей энергии

Размещено на http://allbest.ru

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Инженерно-физический метод синтеза технических решений преобразователей энергии

Специальность: 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования

Яковлев Алексей Андреевич

Волгоград, 2008



Работа выполнена на кафедрах «Системы автоматизированного проектирования и поискового конструирования» и «Автоматизация производственных процессов» Волгоградского государственного технического университета.

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Камаев Валерий Анатольевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Дорохов Игорь Николаевич

доктор технических наук, профессор Мазуркин Петр Матвеевич

доктор технических наук, профессор Петрова Ирина Юрьевна

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт конструкторско-технологической информатики РАН, г. Москва

Защита состоится 5 декабря 2008 г. в 10 часов на заседании специализированного Совета Д 212.028.04 при Волгоградском государственном университете по адресу: 400131, г. Волгоград, пр-т. Ленина, д. 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан "____"_____________2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

канд. техн. Наук В. И. Водопьянов



ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Характерной особенностью научно-технического прогресса в области создания новых технических систем (ТС) практически во всех сферах человеческой деятельности является опережение сложности создаваемых технических объектов по сравнению с методами их создания. Очевидно, что традиционное проектирование в дальнейшем никогда не сможет обеспечить кардинального сокращения сроков разработки и повышения качества ТС. Поэтому проблема перехода на более совершенные технологии проектирования является весьма актуальной.

Сроки и качество конструкторских разработок в существенной мере зависят от успеха решения задач, возникающих на стадиях технического задания и технического предложения, которые принято называть начальными стадиями проектирования. На них принимаются основополагающие решения о принципе действия, структуре и элементном составе проектируемой системы, то есть осуществляется синтез технического решения. Вместе с тем эти стадии до сих пор остаются наименее исследованными, в том числе и в области проектирования преобразователей энергии (ПЭ) - технических систем, основной функцией которых является преобразование энергии природных источников в термическую, механическую, электрическую, электромагнитную и другие виды энергии.

В этой связи актуальной задачей является разработка подходов и методов, позволяющих повысить эффективность и качество труда конструкторов на начальных стадиях проектирования ПЭ с последующей их автоматизацией в рамках создания САПР на базе уже апробированных информационных технологий.

Одной из проблем, возникающих на пути создания новых подходов к проектированию ТС, является факт существенного разрыва между теоретическими и практическими областями естественнонаучных знаний. При использовании знаний, относящихся к первой категории, конструктору приходится решать нетривиальную задачу преобразования сильно абстрагированного описания физического процесса в конкретную конструкцию ТС. Знания второй категории позволяют познакомиться с большим разнообразием существующих конструкций, сделать их расчет, но не отвечают на вопрос о том, как их изменить для получения улучшенных модификаций.

Для преодоления такого «барьера» разработчики методов проектирования закладывают в их основу модели физического принципа действия (ФПД). Последние предназначены для определения структуры и состава конструктивных элементов устройства. От адекватности модели во многом зависит эффективность метода. Однако в существующих моделях недостаточно учитываются пространственные и временные факторы, оказывающие существенное влияние на конструктивную организацию ТС. Поэтому известные методы оказываются неэффективны при их использовании для синтеза технических решений ПЭ, характеризующихся, как правило, сложной последовательностью физических процессов во времени и пространстве.

Все это дает основание говорить, что проблема синтеза технических решений ПЭ до конца не разрешена на данном этапе развития методологии проектирования, а также об актуальности проведенного исследования.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является создание научно-обоснованного метода синтеза технических решений ПЭ, позволяющего повысить качество и эффективность труда конструкторов, занимающихся их разработкой на ранних стадиях проектирования. Для реализации этой цели были поставлены следующие задачи:

1) разработать методику, позволяющую формально определять принадлежность данной ТС к классу ПЭ;

2) разработать модель ФПД, позволяющую отражать всю совокупность физических процессов, необходимых для взаимного преобразования энергии, с учетом пространственных и временных факторов;

3) разработать методики построения моделей ФПД для двух случаев проектирования ПЭ, когда в качестве исходных данных используется:

описание технического решения ПЭ (структура устройства задана);

описание физических процессов взаимного преобразования энергии (требуется генерация структуры);

4) разработать методику для модификации моделей ФПД с целью получения их улучшенных вариантов;

5) выявить элементарные функции конструктивных элементов, необходимые для синтеза технических решений ПЭ на основе заданной модели ФПД;

6) разработать методику формирования множества возможных технических решений ПЭ в виде наборов функционально-совместимых конструктивных элементов;

7) провести апробацию разработанных методик в процессе проектирования новых ПЭ разных видов.

Методы исследования. Для решения поставленных задач и достижения намеченной цели использованы методы теории сложных термодинамических систем, математического моделирования, теорий множеств, графов, исчисления предикатов, системного анализа, эвристического проектирования, экспертных оценок, а также методов искусственного интеллекта, структурного и объектно-ориентированного анализа, проектирования и программирования.

Научная новизна исследования. Разработан метод синтеза технических решений ПЭ, в основу которого заложена новая модель ФПД, позволяющая отражать совокупность физических процессов для взаимного преобразования энергии с учетом пространственных и временных факторов, определяющих структуру устройства и набор функций конструктивных элементов, необходимых для синтеза технических решений. В рамках достижения поставленной цели автором получены следующие результаты, составляющие научную новизну исследования:

1. Предложена новая интерпретация семантической нагрузки вершин и дуг графа модели ФПД на основе аксиоматики теории сложных термодинамических систем.

2. Построение моделей ФПД основано на новой классификации устройств, взаимодействующих с рабочим телом ПЭ, по их функциональному назначению и уровню иерархии.

3. Впервые найдены общие закономерности структурной организации ПЭ, позволяющие на основе абстрактного (не относящегося к конкретной конструкции) описания физических процессов взаимного преобразования энергии осуществить синтез структуры устройства, реализующего данное преобразование.

4. Обнаружены логические связи возможных математических операций над графами моделей ФПД с эвристическими приемами, позволяющие обосновать их новую классификацию и частично формализовать применение эвристик для генерации улучшенных структур проектируемых ПЭ.

5. Выявлены элементарные функции, необходимые для формирования технического решения ПЭ из наборов функционально совместимых конструктивных элементов, и установлено их соотношение с элементами модели ФПД.

Практическая значимость исследования. На основе теоретических положений диссертационного исследования разработан метод, предназначенный для использования на начальных стадиях проектирования ПЭ. Реализация метода может быть осуществлена путем разработки соответствующих программно-информационных комплексов, предназначенных для повышения эффективности поиска необходимой информации и решения вычислительных задач, например, формирования множества возможных технических решений и выбора из него наиболее перспективных. В частности, разработан специализированный метод для синтеза технических решений технологических лазеров на углекислом газе.

Теоретические основы метода могут быть использованы для обучения системному проектированию ПЭ как в области энергомашиностроения, так и в других областях, где осуществляется разработка новых ПЭ. Применение метода уже сложившимися специалистами требуется для эффективного использования имеющегося у них опыта для проектирования ПЭ в других областях техники. Обучение методу студентов вузов существенно повышает их квалификацию, так как синтез технических решений в настоящее время остается уделом самых высококвалифицированных специалистов.

Достоверность и обоснованность результатов. Подтверждается использованием в качестве понятийной основы инженерно-физического метода апробированной аксиоматики теории сложных термодинамических систем, а также положительными результатами построения моделей ФПД для самых разных видов ПЭ. Кроме того, достоверные результаты синтеза технических решений в результате использования метода получены в тех случаях (например, для двигателя внутреннего сгорания), когда их невозможно получить морфологическим методом.

Реализация результатов исследования. Результаты диссертационной работы в виде программно-информационного комплекса и руководящих методических материалов внедрены на предприятиях ФГУП «ПО «Баррикады», ФГУП «ЦКБ «Титан», НПО «Ритм» ОКБ «Роботы» г. Волгограда и ФГУ «Волгоградский центр научно-технической информации».

Разработанные методическое и программное обеспечение используется в учебном процессе Волгоградского государственного технического университета на кафедрах «Системы автоматизированного проектирования и поисковое конструирование», «Автоматизация производственных процессов», а также в филиале Московского энергетического института в г. Волжском, при чтении дисциплин «Автоматические системы управления и системы автоматизированного проектирования энергоустановок» и «Методы инженерного творчества».

Апробация результатов исследования. Основные положения диссертации докладывались на семинарах кафедр «Автоматические установки», «Автоматизация производственных процессов», «Системы автоматизированного проектирования и поисковое конструирование» и ежегодных научно-технических конференциях Волго-градского государственного технического университета (1990-2007 гг.), семинарах кафедр «Теория и системы управления» Ивановского государственного энергетического университета, «Конструирования и производства радиоаппаратуры» Московского энергетического института (ТУ), межрегиональной научно-практической конференции «Интеллектуальные измерительные системы в промышленности южного региона» (Волжский, 2007 г.), Всероссийских научно-практических конференциях «Перспективные проекты и технологии в энергетике» (Волжский, 2005), «Ресурсо-энергосбережение и эколого-энергетическая безопасность промышленных городов» (Волжский, 2006 гг.), «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности» (Астрахань, 2007 г.), международных научно-технических конференциях «Информационные технологии в образовании, технике и медицине» (Волгоград, 2004, 2006 гг.), «Системные проблемы надежности, качества информационных и электронных технологий в инновационных проектах» (Сочи, 2006 г.), «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе» (Ялта-Гурзуф, 2006, 2007 гг.), «Интеллектуальные системы в науке, технике, образовании, бизнесе» (Дивноморск, 2007 г.).

Публикации. Основные положения диссертации отражены в 56 публикациях. В том числе в двух монографиях (общим объемом 18 п. л.) и 18 статьях в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК. В процессе работы над диссертацией сделано 7 изобретений и зарегистрирована программа для ЭВМ. Обе монографии и 14 статей в рецензируемых журналах опубликованы без соавторов. В работах, опубликованных в соавторстве, личное участие автора заключается в определении проблемы, постановке задач, разработке основных теоретических положений.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений. Основная часть диссертации изложена на 296 страницах машинописного текста, содержащего 62 рисунка и 37 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы основные цели и задачи исследований, раскрыты научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приведены результаты реализации и апробации работы.

В первой главе проводится анализ задач концептуального проектирования технических систем. Их решение в подавляющем большинстве подходов основано на использовании графовых моделей, которые отражают физические процессы, протекающие при функционировании этих систем. Рассмотрены известные концепции и технологии разработки технических решений на основе моделей ФПД, а также их использование в САПР.

Вепольный анализ в рамках теории решения изобретательских задач, является средством для соединения описания физических явлений с инженерными задачами. В качестве базовых используются понятия «вещество», «поле» и «взаимодействие». Модель ФПД представляет собой граф. Его вершины обозначают вещественные объекты и поля, а дуги - взаимодействия, которые осуществляются между веществом посредством полей.

Комбинаторный метод поиска принципов действия технических систем (по Глазунову) основан на использовании массива физических эффектов, который представляется в виде графа. Каждая вершина представляет собой причину или следствие какого-либо эффекта, дуги - условия их реализации.

Для решения задачи синтеза ФПД необходимо выделить две вершины графа ФЭ, одна из которых соответствует среде, а другая - цели функционирования проектируемой системы. Искомые принципы действия состоят из эффектов, которые образуют цепи, соединяющую первую вершины со второй.

Энергоинформационный метод. В его основе лежит энергоинформационная модель цепей. Процессы различной физической природы представляются в виде совокупности элементарных пре-образований одной физической величины в другую.

Такой подход позволяет формализовать описание ФПД технического устройства в виде параметрической структурной схемы. Каждое элементарное звено такой схемы отражает одно преобразование. Техническое устройство представляется в статике совокупностью звеньев, соединенных между собой в определенном порядке.

Функционально-физический метод поискового конструирования. Концепция метода основана на предположении Р. Колера, что любые машины, аппараты и приборы характеризуются наличием в них организованных потоков энергии, вещества и информации (сигналов).

Процессы изменения свойств и состояний этих потоков в технической системе можно свести к конечному числу элементарных функций и основных операций, которые реализуются посредством определенных физических, химических и биологических эффектов.

Модель ФПД по Р. Коллеру представляет собой ориентированный граф, дугами которого являются физические величины, а вершинами - материальные объекты, в которых осуществляется соответствующее преобразование этих величин.

Метод поискового конструирования является дальнейшим развитием функционально-физического подхода для его применения при автоматизированном конструировании технических систем. В работах проф. А. И. Половинкина и его коллег вводится ряд базовых понятий, которые можно рассматривать как методологическую основу новой теории синтеза технических систем на начальных стадиях проектирования. Поиск ФПД основан на соответствии между физической операцией, которую требуется реализовать, и физическом эффекте, с помощью которого можно осуществить такую реализацию.

Перечисленные методы и положенные в их основу модели ФПД можно рассматривать как парадигмы (концепции, системы взглядов), получившие развитие во многих методиках проектирования ТС самых разных классов. Их анализ позволяет сделать следующие выводы:

1) известные модели ФПД требуют доработки для описания процессов, реализуемых в ПЭ, многие из которых характеризуются сложной последовательностью взаимодействий в пространстве и во времени, а также высокими показателями значений выходной мощности;

2) концепция модели ФПД для рассматриваемого класса систем должна опираться на понятийный аппарат феноменологических разделов физики, в которых с помощью единого математического аппарата описывается большинство физических процессов, используемых в современных ПЭ;

3) методология разрабатываемого подхода требует уточнения и согласования с традиционными физическими представлениями о материи, энергии, веществе, с которыми инженеры знакомятся в курсах физики, теоретической механики, технической термодинамики, теплотехники и др.;

Во второй главе формально выделен класс ПЭ из морфологического множества существующих технических систем. Для этого был проведен анализ модели технического процесса из немецкого технического стандарта DIN 66201, а также таких понятий как техническая функция, физическая операция, элементарная функция, операция Колера, определение которых дается в работах А. И. Половинкина и его коллег.

Анализ показал, что независимо от вербальной формулировки функции устройства, его принадлежность к классу ПЭ можно определить по реализуемой в устройстве физической операции - «преобразование». При этом в качестве входного и выходного факторов должны использоваться обобщенные силы и обобщенные координаты (экстенсоры), входящие в единое аналитическое выражение для обобщенной работы

dQ = P dE , (1)

где P - обобщенная сила, фактор интенсивности или интенсиал; E - обобщенная координата, фактор экстенсивности или экстенсор.

Идентификация конкретного устройства на принадлежность к классу ПЭ состоит в проверке условия сопряжения входного и выходного факторов с различными видами энергии.

Таким образом, к этому классу относятся двигатели внутреннего и внешнего сгорания, тепловые и холодильные машины, МГД-генераторы, лазерные установки, газотурбинные, паросиловые и парогазовые установки, стрелковые и артиллеристские системы и многие другие ТС.

В рамках исследования был проведен анализ взятой за прототип модели ФПД функционально-физического метода, основанной на понятии «физический эффект».

Анализ показал, что для описания процессов взаимного преобразования энергии данная модель требует существенной доработки. В ней не заложена, например, возможность описания физических явлений, когда преобразование энергии происходит в условиях круговых процессов. Поэтому в модели ФПД преобразователей энергии должны быть учтены следующие обстоятельства:

· уточнена семантическая нагрузка вершин и дуг графа ФПД;

· отражены перемещения рабочего тела внутри устройства (в пространстве);

· предусмотрена возможность указания очередности взаимодействий и перемещений рабочего тела (во времени);

· отражена иерархия строения, а также особенности конструктивной организации ПЭ.

В этом причина того, что модель функционально-физического метода «работает» только для ограниченного класса ТС - там, где временными характеристиками процессов в первом приближении можно пренебречь и рабочее тело не перемещается в течение цикла и не заменяется новым.

Наиболее перспективным путем для решения поставленной задачи является путь, лежащий через использование понятийного аппарата феноменологической термодинамики. Это обусловлено тремя причинами.

Во-первых, термодинамика охватывает всю совокупность явлений природы, что сделало ее аппарат предельно четким и универсальным и, таким образом, открывающим возможности использовать его для описания различных принципов действия.

Во-вторых, на базе технической термодинамики строится описание работы большинства ПЭ, которые известны в настоящее время. Это обусловливает привычность ее терминологии для специалистов, проектирующих данные устройства, и облегчает им восприятие модели ФПД.

В третьих, термодинамика допускает подмену сложного реального явления неким условным, элементарным, что облегчает процесс формализации описания ФПД.

В данном методе используется модель ФПД, состоящая из трех компонентов

<L, M, N>, (2)

где L - граф ФПД; M - циклограмма периодических взаимодействий и перемещений рабочего тела ПЭ; N - множество описаний вершин и дуг графа ФПД.

Первым компонентом модели - графом отражаются физические процессы, осуществляемые в ПЭ. Его вершины обозначают места, так называемые характерные точки, где рабочее тело ПЭ испытывает взаимодействия, для которых в термодинамике дается единая формула аналитического выражения обобщенной работы (1).

Семантика дуг определяется следующими соображениями. Любые взаимодействия рабочего тела всегда связаны с изменением экстенсора E, то есть условно сопоставляются с процессом переноса через контрольную поверхность термодинамической системы определенного количества dE. Для каждого взаимодействия существует характерный параметр E, который однозначно с качественной и количественной стороны определяет данное взаимодействие.

Таким образом, взаимодействия рабочего тела ПЭ представляются на графе ФПД дугами с обозначением экстенсоров, сопряженными с данными взаимодействиями. Эти дуги являются инцидентными вершинам - характерным точкам. Их обозначения на графе и связанные с ними параметры приведены в таблице 1.

Кроме того, в процессе функционирования вещество рабочего тела ПЭ может перемещаться внутри устройства, что обусловливает необходимость введения дуг второго типа - маршрутных, связывающих характерные точки.

Таблица 1

Взаимодействие	Наименование экстенсора	Обозначение
Механическое, объемное	Объем (V), м3	Е мех
Термическое	Энтропия (S), Дж/К	Е тер
Гидродинамическое	Объем (V), м3	Е гид
Химическое	Химическая масса (m), кг	Е хим
Электрическое	Электрический заряд (), Кл	Е эл
Перемещательное	Перемещение (X), м	Е пер
Вращательное	Угол поворота (), рад	Е вр
Кинетическое перемещения	Количество движения (K), Нс	Е кп
Кинетическое вращения	Момент количества движения (Mв), Джс	Е кв
Диффузионное	Диффузионная масса (m), кг	Е диф
Намагничивания	Вектор намагничивания (Mмг), Вб/м2	Е нм
Поляризационная	Вектор поляризации, (Eпл), Кл/м2	Е пол
Фазовая	Масса (m), кг	Е фаз
Деформационная сжатия-растяжения	Перемещение (X), м	Е дср
Деформационная изгиба-кручения	Угол поворота (), рад	Е дик

Для многих процессов преобразования энергии характерна периодичность взаимодействий и перемещения рабочего тела. Это происходит, например, в поршневых двигателях внутреннего сгорания, двигателях Стирлинга, некоторых газотурбинных установках, где сгорание рабочей смеси происходит при постоянном объеме, и др. В таких случаях граф ФПД дополняется циклограммой для периодических взаимодействий и перемещений рабочего тела.

При разработке графа модели ФПД определяются характерные точки ПЭ, рода и последовательность взаимодействий в этих точках, а также очередность прохождения их рабочим телом.

Физические параметры рабочего тела во время осуществления в нем процессов взаимного преобразования могут существенно изменяться, что приводит к невозможности дальнейшей работы ПЭ. Чтобы устройство получило возможность непрерывного функционирования, используются два способа возврата рабочего тела в исходное состояние.

Характерная особенность первого способа - реновационного - состоит в том, что рабочее тело после совершения процессов в определенной последовательности частично или полностью выводится из системы, а взамен него в нее поступают (непрерывно или периодически) новые порции рабочего тела, и процессы повторяются в той же последовательности. Этот способ применяется в двигателях внутреннего сгорания, камерах сгорания газотурбинных и парогазовых установок и др.

В качестве примера подобного, квазициклического ПЭ на рис. 1 показана схема газотурбинной двухвальной установки, а на рис. 2 представлен его граф модели ФПД, который отражает процесс взаимного преобразования энергии.

Рис. 1. Схема газотурбинной двухвальной установки:

1 - компрессор низкого давления; 2 - воздухоохладитель; 3 - компрессор высокого давления; 4 - турбина высокого давления; 5 - камера сгорания высокого давления; 6 - камера сгорания низкого давления; 7 - турбина низкого давления; 8 - регенератор; 9 - генератор; 10. - редуктор; 11 - пусковой мотор;

преобразователь энергия физический термодинамика

Рис. 2. Граф модели ФПД газотурбинной двухвальной установки

Вершины графа ФПД помечаются латинской буквой v, с верхним и нижним индексами. Индексы обозначают состояние рабочего тела и порядковый номер характерной точки соответственно: v₁¹ - воздух в компрессоре низкого давления; v₂² - воздух в воздухоохладителе; v₃³ - воздух в компрессоре высокого давления; v₄⁴ - воздух в регенераторе; v₅⁵,v₅⁶ - топливо-воздушная смесь и продукты сгорания в камере сгорания высокого давления; v67 - рабочее тело в турбине высокого давления; v₇⁸,v₇⁹ - топливо-воздушная смесь и продукты сгорания в камере сгорания низкого давления; v₈¹⁰ - рабочее тело в турбине низкого давления; v₉¹¹ - выхлопные газы в регенераторе; v₁₀¹², v₁₁¹³- топливо в топливных насосах.

Дуги, обозначающие взаимодействия, помечаются латинской буквой e, также имеющей верхний и нижний индексы. Верхний индекс обозначает род взаимодействия (табл. 1), нижний - порядковый номер взаимодействия.

Маршрутные дуги показывают потоки (перемещения) рабочего тела и помечаются буквой i. Верхний индекс обозначает различные фазовые состояния или химический состав компонентов рабочего тела. Нижний индекс обозначает порядковый номер потока рабочего тела.

Второй способ - рекуперативный - заключается в осуществлении замкнутого процесса - цикла. В таких устройствах рабочее тело установки возвращается в исходное состояние путем осуществления ряда взаимодействий, в результате которых рабочему телу придаются первоначальные физические свойства. Такой способ применяется в паросиловых установках, двигателях Стирлинга, газовых лазерах, холодильных и других устройствах, работающих по замкнутому циклу.

На рис. 3 показана схема пароэжекторной холодильной установки, а на рис. 4 - ее граф ФПД, отражающий происходящие в ней процессы преобразования энергии: v₁¹, v₁² - вода и пар в котле; v₂³ - пар в пароперегревателе; v₃⁴, v₉¹², v₁₂¹⁶- пар в рабочем сопле эжектора; v₄⁵, v1013, v₁₃¹⁷- пар в камере всасывания; v₅⁶, v₅⁷ - пар и вода в испарителе; v₆⁸ - вода в рабочей камере холодноводного насоса; v₇⁹, v₇¹⁰ - пар и вода в главном конденсаторе; v₈¹¹ - вода в рабочей камере конденсатного насоса; v₁₁¹⁴,v1115, v₁₄¹⁸, v₁₄¹⁹ - пар и вода во вспомогательных конденсаторах нижней и верхней ступеней

Рис. 3. Схема пароэжекторной холодильной установки:

1 - главный эжектор; 2, 3 - вспомогательные эжекторы нижней и верхней ступеней; 4 - главный конденсатор; 5, 6 - вспомогательные конденсаторы нижней и верхней ступеней; 7 - поплавковый вентиль; 8 - конденсатный насос; 9 - холодноводный насос; 10. - потребитель холода; 11 - испаритель; 12 - распределительная гребенка

Кроме, так называемых, унитарных преобразователей, в которых все физические процессы преобразования энергии происходят в одном рабочем теле, в технике используются ПЭ - с двумя (бинарные), тремя (тренарные) и более рабочими телами.

На рис. 5 приведена схема проточного газоразрядного лазера и его граф модели ФПД, относящегося к классу бинарных преобразователей и показан его граф ФПД. В этой установке имеется два рабочих тела. Первое (смесь углекислого газа с азотом и парами воды) служит для преобразования электрической энергии в электромагнитное излучение, второе (хладагент) служит для отвода тепла, образующегося в процессе преобразования энергии.



Рис. 4. Граф модели ФПД пароэжекторной холодильной установки

В приведенной на рис. 5 графе ФПД вершины v1 - v6 обозначают характерные точки самого газоразрядного лазера: v₁¹ - на лопатках вентилятора; v₂² - на дополнительных лопатках вентилятора; v33 - в спрямляющем аппарате; v₄⁴ - в газоразрядном пространстве; v₅⁵, v₆⁶ - в секциях 10 и 11 теплообменного аппарата.

При этом выделяется большое количество тепла, которое отводится с помощью хладагента (второе рабочее тело) в характерных точках v7 - v10: v₇¹ - в рабочей камере насоса; v₈², v₉³ - в секциях 10 и 11 теплообменного аппарата (контур с жидкостью); v₁₀⁴ - в холодильнике.

В технике также используются установки, состоящие из работающих параллельно унитарных преобразователей. По такой схеме, например, конструктивно реализуются многие поршневые двигатели, состоящие из двух-, четырех-, шести- и более цилиндров.

В третьей главе рассматриваются вопросы разработки методики построения моделей ФПД.

В основе методики лежит классификация объектов окружения рабочего тела, с которыми оно взаимодействует в процессе функционирования ПЭ. В общем случае объекты окружения могут находиться на любом из уровней иерархии: быть подсистемами ПЭ, находиться с преобразователем на одном уровне иерархии, а также являться другими техническими системами или природными объектами, не входящими в состав системы, к которой принадлежит рассматриваемый преобразователь.

Объекты окружения с функциональной точки зрения можно разделить на пять групп - источники и потребители энергии, истоки и стоки рабочего тела, а также дополнительные объекты окружения. Последние, в свою очередь, можно разделить на объекты окружения первого, второго и третьего родов.

Рис. 5. Схема и граф модели ФПД проточного газоразрядного лазера:

1 - корпус; 2, 3 - крышки; 4 - осевой вентилятор; 5 - электродвигатель; 6 - входной патрубок вентилятора; 7 - катод; 8 - анод; 9 - спрямляющий аппарат; 10, 11 - секции теплообменника; 12 - кольцевая перегородка; 13, 14 - обтекатели; 15 -зеркала оптического резонатора

Взаимодействия с объектами окружения первого рода необходимы для осуществления главного процесса преобразования энергии. Примером может быть система зажигания карбюраторного двигателя, поскольку без образования электрического разряда в рабочей смеси невозможно в нормальном режиме осуществить ее сгорание.

Необходимость во взаимодействии с объектами окружения второго рода возникает, когда какие-либо параметры рабочего тела (температуру, давление и т. п.) требуется изменить до или после осуществления главного процесса преобразования энергии.

Такая необходимость возникает также, когда требуется осуществить возврат в исходное состояние параметров рабочего тела в системах, работающих по замкнутому циклу.

Взаимодействия с объектами окружения третьего рода обеспечивают перемещение рабочего тела. Примерами таких объектов являются топливоподкачивающий насос в дизельном двигателе, насос паросиловой установки и т. п.

Одни и те же объекты окружения в разные моменты времени могут выполнять различные функции.

Например, механический привод двигателя внутреннего сгорания во время рабочего хода выполняет функцию потребителя энергии, во время такта сжатия - объекта окружения второго рода, а во время тактов всасывания рабочей смеси и выталкивания продуктов сгорания - объекта окружения третьего рода.

Разработка модели ФПД может осуществляться для двух случаев исходных данных - на основе уже существующего технического решения ПЭ, взятого в качестве прототипа и на основе описания физического процесса преобразования энергии. Разработка модели для случая, когда в качестве исходных данных берется существующее техническое решение проводится в три этапа.

На первом этапе осуществляется декомпозиция ПЭ на унитарные преобразователи энергии. Унитарным считается преобразователь, имеющий одно рабочее тело независимо от количества преобразований в нем. Для каждого преобразования делаются записи в таблице А1 со схемой



SА1 = {а₁¹, а₁², а₁³, а₁⁴, а₁⁵, а₁⁶, а₁⁷}, (3)

где А1 - наименование реляционной таблицы; S_А1 - структура таблицы, включающая атрибуты (заголовки столбцов) а₁¹-а₁⁷; а₁¹ - порядковый номер преобразования; а₁² - род взаимодействия рабочего тела с источником экстенсора; а₁³ - вид энергии, сопряженный с взаимодействием на входе; а14 - род взаимодействия рабочего тела с потребителем экстенсора; а₁⁵ - вид энергии, сопряженный с взаимодействием на выходе; а₁⁶ - описание материальной среды устройства, в которой осуществляется преобразование; а₁⁷ - обозначение унитарного преобразователя.

На втором этапе разрабатываются модели ФПД отдельно для каждого унитарного преобразователя. Информация фиксируется в форме таблиц, а затем записи в таблицах используются для построения - графа ФПД и циклограмм периодически действующих потоков. Для осуществления этого этапа заполняются таблицы А2-А6 со следующими схемами:

S_А2 = {а₂¹, а₂², а₂³, а₂⁴, а₂⁵}, (4)

где а₂¹ - описание объекта окружения унитарного преобразователя в произвольной форме; а₂² - вид объекта окружения; а₂³ - обозначение объекта на графе физического принципа действия; а₂⁴ - род взаимодействия унитарного преобразователя с объектом окружения; а₂⁵ - вид энергии, соответствующий данному роду взаимодействия.

S_А3 = {а₃¹, а₃², а₃³, а₃⁴, а35}, (5)

где а₃¹ - вербальное описание места, в котором рабочее тело находится в данном состоянии; а₃² - символьное обозначение места взаимодействия; а₃³ - вербальное описание состояния рабочего тела во время взаимодействия; а₃⁴ - символьное обозначение состояния рабочего тела; а₃⁵ - обозначение характерной точки.

S_А4 = {а₄¹, а₄², а₄³, а₄⁴}, (6)

где а₄¹ - вербальное описание взаимодействия; а₄² - обозначение экстенсора; а₄³ - обозначение объекта окружения или характерной точки, являющегося источником экстенсора; а₄⁴ - обозначение объекта окружения или характерной точки, являющегося приемником экстенсора.

S_А5 = {а₅¹, а₅², а₅³}, (7)

где а₅¹ - описание истока или стока рабочего тела; а₅² - вид объекта (исток или сток рабочего тела); а₅³ - обозначение объекта на графе.

S_А6 = {а₆¹, а₆², а₆³, а₆⁴}, (8)

где a₆¹ - вербальное описание потока рабочего тела; a₆² - обозначение потока; a₆³ - обозначение истока рабочего тела или характер-ной точки; a64 - обозначение характерной точки ПЭ или стока рабочего тела.

На третьем этапе осуществляется построение полного графа ФПД, в который объединяются все графы унитарных преобразователей, построенных на втором этапе. В такой граф включаются вершины (характерные точки) всех входящих в нее унитарных преобразователей. Вершины, являющиеся общими для нескольких преобразователей, стягиваются. В случае наличия в ПЭ нескольких одинаковых унитарных преобразователей, соответствующие каждому из них вершины размножаются.



Рис 6. Граф модели ФПД шестицилиндрового, четырехтактного дизельного двигателя с турбонаддувом v₁¹, v₁², v₁⁴, v₁⁸, v₁⁹, - топливо-воздушная смесь, продукты сгорания и атмосферный азот во сгорания, расширения, сжатия, всасывания и выталкивания продуктов сгорания; v₂³ - продукты сгорания на лопатках турбины; v₃⁵ - топливо в надплунжерном пространстве топливного насоса; v₄⁶ - воздух в нагнетательной полости центробежного компрессора; v57 - топливо в нагнетательной полости топливоподкачивающего насоса; ИстЭ - смесь жидкого топлива и воздуха; ПтрЭ1, 2ОО1, 3ОО2, 3ОО3, - кривошипно-шатунный механизм; ИРТ1 - топливный бак; ПтрЭ2, 2ОО3, - механический привод центробежного компрессора; ИРТ2 - атмосфера; СРТ - атмосфера; 2ОО2 - механический привод топливного насоса; 3ОО1 -механический привод топливоподкачивающего насоса

На рис. 6 показан граф модели ФПД дизельного двигателя, который помимо характерных точек включены следующие объекты окружения: топливная система (исток рабочего тела); атмосфера (исток и сток рабочего тела); смесь воздуха с жидким топливом (источник энергии); механический привод двигателя - кривошипно-шатунные механизмы объединенные коленчатым валом (потребитель энергии, объект окружения второго и третьего родов; механический привод топливоподкачивающего насоса (объект окружения третьего рода) и др.

Объекты окружения изображаются на графе ФПД двумя видами фигур: прямоугольниками - источники и потребители энергии, дополнительные объекты окружения первого второго и третьего родов; шестиугольниками - истоки и стоки рабочего тела. Их обозначения представляют собой аббревиатуры с цифрами и индексами: ИстЭ - источник энергии; ПтрЭ - потребитель энергии; ИРТ - исток рабочего тела; СРТ - сток рабочего тела; 1ОО, 2ОО, 3ОО - дополнительные объекты окружения, соответственно, первого, второго и третьего родов. В случае нескольких объектов окружения одного рода к обозначению добавляется нижний индекс - порядковый номер.

Второй вариант построения моделей ФПД осуществляется на основе описания процесса взаимного преобразования энергии. Последовательность построения модели ФПД в этом случае состоит из пяти этапов. На первом этапе осуществляется подготовка технического задания, в котором определяются возможные источники энергии и накладываются ограничения на количество последовательных преобразований, структуру рабочего тела, рода взаимодействий рабочего тела, а также другие ограничения, связанные со спецификой разрабатываемого устройства.

На втором этапе проводится синтез цепочек физических эф-фектов, позволяющих преобразовать один вид энергии в другой и осуществляется их объединение в унитарные преобразователи. При этом заполняется таблица со следующей схемой

S_С1 = {c₁¹, c₁², c₁³, c₁⁴, c₁⁵, c₁⁶}, (9)

где С1 - наименование реляционной таблицы; SС1 - структура таблицы, включающая атрибуты c₁¹- c₁⁵; c₁¹ - порядковый номер цепочки физических эффектов; c₁² - наименование физического эффекта; c₁³ - форма движения на входе физического эффекта и соответствующий ей экстенсор или интенсиал; c₁⁴ - описание материальной среды, в которой осуществляется преобразование; c₁⁵ - форма движения на выходе физического эффекта и соответствующий ей экстенсор или интенсиал; c₁⁶ - обозначение унитарного преобразователя.

На третьем этапе проводится построение базовой модели, ко-торая отражает все взаимодействия рабочего тела, необходимые для проведения процесса взаимного преобразования. Для этого выявляется необходимая информация, которая фиксируется в таблицах С2-С4 со следующими схемами

S_С2 = {c₂¹, c₂², c₂³, c₂⁴, c₂⁵}, (10)

где c₂¹ - описание объекта окружения унитарного преобразователя; c22 - функциональное назначение объекта окружения; c₂³ - обозначение объекта на графе ФПД; c₂⁴ - род взаимодействия унитарного преобразователя с объектом окружения; c₂⁵ - вид энергии, соответствующий данному роду взаимодействия.

S_С3 = {c₃¹, c₃², c₃³, c₃⁴, c₃⁵}, (11)

где c₃¹ - описание места, в котором находится рабочее тело в данном состоянии; c₃² - обозначение места взаимодействия; ^c33 - описание состояния рабочего тела во время каждого взаимодействия; c₃⁴ - обозначение состояния; c₃⁵ - обозначение характерной точки.

S_С4 = {c₄¹, c₄², c₄³, c₄⁴}, (12)

где c₄¹ - описание взаимодействия; c₄² - обозначение экстенсора; c₄³ - обозначение объекта окружения или характерной точки, из которой исходит экстенсор; c₄⁴ - обозначение объекта окружения или характерной точки, в которую направлен экстенсор.

На четвертом этапе разрабатывается полная модель ФПД унитарного преобразователя, которая зависит от способа возврата рабочего тела в исходное состояние. В зависимости от принятого решения в унитарном преобразователе реализуется или реновационный способ - открытый цикл или рекуперативный - замкнутый цикл. При этом определяются взаимодействия, предназначенные для многократного осуществления процесса преобразования и для перемещения рабочего тела по характерным точкам. Вся информация фиксируется в таблицах С2-С4 (10-12). При наличии истоков и стоков рабочего тела, а также в случае необходимости перемещения рабочего тела внутри устройства заполняются таблицы С5-С6 со следующими схемами

S_С5 = {c₅¹, c₅², c₅³}, (13)

где c51 - описание истока или стока рабочего тела; c52 - вид объекта (исток или сток рабочего тела); c53 - обозначение объекта на графе ФПД.

S_С6 = { c₆¹, c₆², c₆³, c₆⁴}, (14)

где c₆¹ - описание потока рабочего тела; c₆² - обозначение потока на графе ФПД; c₆³ - обозначение истока рабочего тела или характерной точки унитарного преобразователя; c₆⁴ - обозначение характерной точки или стока рабочего тела унитарного преобразователя.

В случае нестационарной реализации процесса преобразования для периодически действующих потоков строится циклограмма.

На пятом этапе проводится построение полного графа модели ФПД преобразователя энергии, включающего в себя все модели унитарных преобразователей.

В четвертой главе рассматривается один из важных аспектов практического применения моделей ФПД - способы модификации топологии графов ФПД с целью получения новых, улучшенных структур моделей.

Модели ФПД представляют собой формальные объекты - графы и, следовательно, к ним могут быть применены соответствующие математические операции, исчерпывающие все возможные манипуляции с такого рода объектами. С другой стороны, их вершины и дуги несут в себе конкретное содержание, и многие из формальных действий над ними не имеют практического смысла.

С учетом данной специфики моделей их модификация достигается путем использования эвристических приемов, сопоставленных с математическими операциями над графами, как формальными способами изменения их топологии.

Эффективность такого способа выше по сравнению с обычным использованием эвристических приемов. Так, например, каждый прием из общеотраслевого фонда был сопоставлен с конкретным множеством математических операций над графом. Это обстоятельство существенно упростило модификацию моделей, так как позволило внести большую конкретику в каждый эвристический прием. Другая часть приемов была сопоставлена со способами изменения семантики элементов (вершин и дуг) графа и циклограмм периодически действующих потоков.

В работе даются рекомендации по модификации графов на разных этапах разработки модели ФПД, а также достигаемых при этом целей. Целью первого этапа является повышение эффективности осуществления главных физических процессов в унитарном преобразователе путем оптимизации структуры вершин и дуг графа его модели.

Целью второго этапа является повышение технических характеристик преобразователя путем оптимизации связей между его подсистемами, а также между ПЭ и его окружающей средой. Оба этапа целесообразно осуществлять раздельно. При этом модификация может носить итеративный характер.

В пятой главе рассматривается методика синтеза технических решений ПЭ на основе разработанной модели ФПД. Анализ модели с позиций термодинамики позволил выявить элементарные конструктивные функции, связанные с вершинами и дугами графа.

Эти функции были определены при анализе таких понятий как «термодинамическая система», «контрольная поверхность», «внешние» и «внутренние степени свободы». Классификация элементарных функций конструктивных элементов и их связь с элементами графа ФПД приведена в таблице 2.

Таблица 2

Элементарная функция	Элемент графа ФПД	Обозначение
Обеспечение внутренних степеней свободы рабочего тела	Вершина, рабочее тело	f1
Обеспечение внутренней изоляции рабочего тела от нежелательных взаимодействий	То же	f2
Обеспечение внешних степеней свободы рабочего тела преобразователя	Вершина, контрольная поверхность	f3
Обеспечение внешней изоляции рабочего тела от нежелательных взаимодействий	То же	f4
Обеспечение внутренней степени свободы для проводимого экстенсора	Дуга	f5
Обеспечение внешней изоляции проводника экстенсора от нежелательных взаимодействий	"	f6
Отъединение потоков	Гипердуга	f7
Разделение потоков	То же	f8
Изменение направления потока	Дуга	f91, f92, f93
Изменение величины потока за счет сопротивления проводящей среды	То же	f101, f102, f103, f104, f105, f106
Изменение величины потока за счет поперечного сечения проводящей среды	"	f111, f112, f113
Изменение специфических характеристик потока	"	f12



Введены также дополнительные признаки элементарных функ-ций. Например, конструктивные элементы, реализующие функцию изменения направления потока для данной формы движения разделяются: для одномерного потока (f91); двухмерного потока (f92); трехмерного потока (f93).

Элементы, реализующие функцию изменения величины потока могут изменять значение своего сопротивления потоку экстенсора дискретно и непрерывно, т. е. в некотором диапазоне значений. Элементы с дискретным изменением сопротивления могут иметь или принимать: одно конкретное значение, снижающее величину потока экстенсора до необходимого значения (f101); несколько значений, в том числе нулевое и равное бесконечности, обеспечивающее полное отсутствие потока экстенсора (f102).

Элементы с непрерывным изменением сопротивления могут принимать значения: от нуля до бесконечности (f103); нуля до некоторого заданного значения (f104); одного до другого значения (f105); заданного значения до бесконечности (f106).

Анализ конструкций функциональных элементов в самых различных областях техники показал, что в общем случае эти элементы могут выполнять одновременно несколько элементарных функций.

Причем такие наборы функций у конструктивных элементов часто не совпадают. Это вызывает проблемы при использовании морфологических методов, связанные со стыковкой конструктивных элементов в техническом решении.

Рассматриваемый здесь подход для формирования множеств технических решений основан на создании таблиц (матриц соответствия), ячейки которых указывают на соответствие каждого конструктивного элемента выполняемым им элементарным функциям в конструкции ПЭ.

Методика разработки таких таблиц и формирования множеств технических решений состоит из следующих шагов.

1. Выбор вещества рабочего тела.

2. Определение функций для обеспечения требуемых взаимодействий (обеспечение внешних степеней свободы).

3. Определение функций для изоляции рабочего тела от нежелательных взаимодействий (изоляция внешних степеней свободы).

4. Определение функций конструктивных элементов для обеспечения внутренних степеней свободы дуг графа ФПД.

5. Определение функций конструктивных элементов для внешней изоляции от нежелательных взаимодействий потоков экстенсоров и рабочего тела.

6. Определение функций конструктивных элементов для объединения и разделения потоков.

7. Определение множества функций элементов управления.

8. Определение источников информации на основе предварительного группирования элементарных функций.

...