Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Энергетические методы исследования состояний реальных систем переменной формы и структуры

В. Поляков



Аннотация

Приводятся результаты исследований энергетических методов определения реальных систем и расчета их состояний. Рассматриваются следующие типы систем: механические, динамические, термодинамические, открытые, энергодинамические и реальные.

Приводятся типы систем и состояния систем, для которых используются конкретные виды энергий.

Показано, требования лидеров создания при действии систем условий стабильности, прозрачности, предсказуемости, постоянства формы и структуры при детерминистических воздействиях и цифровизации исходных данных и расчетов состояний систем приводят к рассмотрению состояний замкнутых систем с соблюдением законов сохранения в состоянии равновесия при действии обратимых процессов.

Доказано, действующие подходы к определению нагрузок и воздействий на основе стандартов, сводов правил, СНиП и СН и подобные нормы проектирования, дают недостоверные данные величин и характеристик нагрузок и воздействий и принципов суперпозиции их сочетаний, в том числе недостоверные начальные информационные состояния по координатам источников нагрузок и воздействий системных исследований.

Доказано, что классические методы механической энергии замкнутых систем и соответствующие им методы определения прочности и деформативности, приведенные в действующих стандартах проектирования, сводах правил, СНиП и СН для строительных конструкций зданий и сооружений неадекватны теории «Реальных систем», реальным условиям эксплуатации и приводят к отказам, авариям и катастрофам.

В системных исследованиях обобщенная энергия системы рассматривалась как общая количественная мера движения и мера перехода материи из одних форм в другие или взаимодействия всех видов материи.

Положения теории «Реальные системы» как меры энергии системы нашли свое подтверждение в экспериментальных исследованиях состояний мягкой оболочки сферической начальной формы с учетом существенных изменений начальной формы оболочки:

- в процессе испытаний под действием потока воздуха в аэродинамической трубе;

- при действии сосредоточенных и распределенных сил и моментов;

- при ударных воздействий с учетом существенных изменений состояния реальной системы.

В статье приводятся доказательства ошибочности существующих методов описания состояний систем как множества материальных точек и / или замкнутых систем реальных систем, основанных на методах классической механики и механики сплошной среды.

Доказано, что ошибки в подходах к расчету НДС систем ликвидируются использованием теории «Реальные системы» с анализом эволюции сочетаний живых и неживых интеллектуальных адаптирующихся систем с экологическими, биологическими, техническими и природными открытыми системами.

Существующие энергетические методы (множество мат. точек и замкнутые системы) и определения состояний систем отличаются неполным и неадекватным рассмотрением процессов взаимодействия без учета изменений структуры, состава и формы системы и взаимодействий компонентов системы.

Показано, что определение полного и достоверного нестационарного состояния конкретной системы возможно только методами «Теории реальных систем» с учетом контактных взаимодействий и нестационарных необратимых процессов. Существующие законы сохранения (массы, импульса, момента импульса и энергии), а также принципы суперпозиции для реальных систем не действительны.

Показано, что использование для определения состояния замкнутых систем любых существующих стандартов любых видов без системных обобщений неизбежно приводит к авариям, отказам и разрушениям.

Доказаны ошибки и неточности при постоянстве формы и структуры, в состояниях равновесия, действии обратимых процессов и соблюдении законов классической механики и термодинамики, допущенные подходами в существующих стандартах по определению:

- нагрузок и воздействий;

- действий и способов определения напряженно-деформированного состояния;

Доказано, что отсутствие системных обобщений для определения состояний систем приводит к существенным перерасходам материалов и, в конечном итоге, к катастрофам и разрушениям объектов и замкнутых систем.

Рассмотрены эволюции сочетаний живых интеллектуальных открытых систем с биологическими, экологическими, техническими и природными открытыми системами в сочетании с методами системного анализа открытых систем в неравновесном состоянии и физики необратимых процессов.

Только «Реальные системы» с учетом контактных взаимодействий между интенсивными переменными состояний и с учетом посреднических функций возмущенной среды, а также с учетом свойств эмерджентности позволяют с использованием системных коллапсов учесть взаимодействия в системе интенсивных переменных состояния.

Совокупность интенсивных переменных, в случае определения состояний на основе принципов классической механики замкнутых систем или объектов, считалась независимыми переменными, находящимися в равновесных состояниях при действии обратимых процессов. Взаимодействие сочетаний нагрузок и воздействий считалось обладающими принципами суперпозиции.

В реальных системах при системных обобщениях позволяет кардинальным образом изменить подходы к состоянию системы на основе неравновесных состояний при действии необратимых процессов даже с учетом действия непрерывно дискретно изменяемых случайных состояний, включая информационные составляющие, характерные для живых интеллектуальных систем.

Ключевые слова: эволюция, сочетания, системы, равновесные и неравновесные состояния, необратимые процессы, обобщенные силы, открытые системы, энергодинамика, реальные системы, управляющие параметры, энергии системы упорядоченные и неупорядоченные, конкурентное сообщество, гиперобъем, экологическая ниша, биоценоз.



Введение

Напряженно-деформированные состояния объектов (зданий, сооружений, машин, механизмов, и т.д.) в настоящее время рассчитываются на основе методов классической механики Ньютона, рассматривающая их как объекты консервативных систем в равновесном состоянии и при условии протекания обратимых процессов

Расчет производится для объектов (в дальнейшем «тел») неизменяемой формы при относительно малых деформациях, без учета нестационарного взаимодействия тела и нагрузок (в дальнейшем «среды»), контактных взаимодействий тела и среды, влияния возмущений промежуточного слоя среды и характеристик пограничных слоев.

При продолжительной эксплуатации тела в результате флуктуаций нагрузок и воздействий, его форма и структура могут претерпеть большие изменения, которые приводят к неравновесному состоянию системы «тело-среда» (в дальнейшем «система»), появлению необратимых процессов и последующему разрушению тела.

Анализ верификации энергии системы показывает необходимость перехода от расчета энергии замкнутой системы методами классической механики и термодинамики к расчету энергии реальной системы системообразующими методами.

Гипотеза, определяющая полную энергию системы как сумму энергий объектов (тел) в составе системы ошибочна и ее использование неизменно приводят к авариям, отказам и катастрофам при эксплуатации этих объектов.

Экспериментально-теоретическими исследованиями установлена необходимость учета полной энергии системы как совокупности парциальных энергий поливариантных систем. Полная энергия поливариантной реальной (в том числе и живой) системы состоит из упорядоченной (энергии, способной совершать работу) и неупорядоченной энергий (энергии, рассеиваемой в пространстве).

Автор видит свою задачу в определении влияния энергии как меры напряженно-деформированного состояния тел, изменяющих форму и характеристики при нестационарных воздействиях среды (внешней и иных нагрузок) с учетом контактных взаимодействий тела и среды.

Объектом исследования служит тонкостенная оболочка усеченной сферической формы из композитных материалов под действиями потока воздуха, внутреннего давления а также сосредоточенных и распределенных внешних сил.

Под влиянием воздействия среды и взаимодействия тела и среды оболочка изменяет начальную форму и тем самым изменяет состояние среды. Результатом такого взаимодействия является напряженно-деформированное состояние оболочки, включающее образование одноосных и нульосных зон, появление складок на поверхности оболочки и существенное изменение ее объема.

При этом нагрузки и воздействия в предлагаемой работе задаются не детерминированными цифровыми или аналоговыми величинами, действующими на тело, а функциями распределения координат и интенсивных переменных состояния системы.



1. Энергетические методы исследования систем

Настоящая статья является продолжением работы автора [1,2]

Рассматривается эволюция методов определения энергии элементов системы от методов классической механики Ньютона-Эйлера [3], механики сплошной среды до методов теории открытых систем, энергодинамики и теории «Реальные системы».

Строительная механика - наука о прочности, устойчивости, жесткости, долговечности и надежности конструкции объектов и их элементов является эволюцией классической механики и термодинамики замкнутых систем применительно к конкретным видам объектов, которые можно рассматривать как механические системы с бесконечным числом степеней свободы.

Обобщенные законы строительной механики - это законы сохранения массы, импульса, момента импульса и энергии.

Две системы отсчета движения лежат в основе расчета механических систем:

· инерциальная система отсчета (движение тел равномерное прямолинейное или состояние покоя, обратимые процессы, изотермические распределения температуры по Л. Больцману). Законы Ньютона применимы только в инерциальной системе отсчета.

· неинерциальная система отсчета (движение тел ускоренное с вращением, обобщенные законы движения, неравновесные состояния, необратимые процессы, изоэнтропийные процессы распределения тепла по Больцману).

В результате перехода от инерциальной системы отсчета к неинерциальной системе, учитывая ускоренное криволинейное движение, обобщение трех законов Ньютона и изменения функций распределения температур в уравнениях Л. Больцмана, приходим к следующим формулировкам, уточняющим законы Ньютона [16]:

Закон 1. Все свободные тела движутся равномерно и прямолинейно или находятся в состоянии покоя если:

Закон 2. Ускорение, которое получает тело постоянной массы, прямо пропорционально равнодействующей всех приложенных сил и обратно пропорционально массе тела.

Другая формулировка Закона 2:

Движущая сила неравновесного процесса равна производной от энергии системы по координате процесса.

;

Закон 3.

.

где: - механическая энергия, сила, момент силы, импульс, момент импульса;

- масса, момент инерции; - скорость, угловая скорость.

Теория открытых систем [10,11] и энергодинамика [7] рассматривают синтез энергии систем в состояниях близких к равновесию с процессами частично необратимыми, объектами постоянной формы и состава в стационарной среде.

Теория «Реальные системы» [2, 9] рассматривает эволюции сочетаний живых интеллектуальных адаптируемых систем с экологическими, биологическими, техническими и природными открытыми системами.

Элементы системы рассматриваются в неравновесном состоянии [12] с учетом обмена веществами, энергиями, информациями и контактными взаимодействиями в нестационарном состоянии для переходных и необратимых процессов.

1.1 Методы определения энергии тела и системы

Полная энергия тела (классическая механика Ньютона-Эйлера):

(1.1.1)

Механическая энергия потока:

;

Потери энергии в пограничном слое:

где: - толщина турбулентного пограничного слоя; - скорость потока гидродинамическая;

- скорость потока на границе пограничного слоя.

Энергия пограничного слоя:

где: - толщина возмущенного слоя среды у поверхности тела.

Внутренняя энергия тела:

Температурная энергия тела:

Энергия системы (механика сплошной среды):

Полная энергия:

(1.1.2)

Внутренняя энергия:

Энергия положения:

Энергия системы (теория открытых систем [10,11,22] и теория «Реальные системы» [9]):

Полная энергия:

(1.13)

где:

- механическая энергия; - внутренняя энергия;

- энергия положения;

- коэффициент продольного момента тела,

- коэффициент подъемной силы тела;

- энергия изменения объема (V) и давления (p);

- тепловая энергия системы (стационарная + нестационарная) [13];

- энергия массообмена;

- гидродинамическая скорость,

v - скорость потока аэродинамической трубы,

h - высота центра давления.

; - контактные энергии среды и тела;

- изменение механической энергии от контакта среды с телом;

- изменение механической энергии в результате действия диссипативных структур (диффузии, внутреннего трения, теплопроводности);

- энергия, обеспечения жизнедеятельности живой системы (life activity):



- энергии потребления, переработки, отходов, болезней, световые, звуковые и прочие виды энергий (знаки энергий определены ориентацией системы [27]).

где: - упорядоченная энергия; - внутренняя упорядоченная энергия;

- диссипативная часть упорядоченной энергии; - неупорядоченная энергия.

Энергия системы (энергодинамика) [7]:

где:

- полная энергия системы,

. - упорядоченная энергия системы (эксергия, - технически пригодная, превратимая энергия):

- неупорядоченная внутренняя энергия (диссипативная энергия):

- полная механическая энергия,

- толщина турбулентного пограничного слоя,

- толщина возмущенного слоя среды вблизи тела,

- внутренняя энергия системы:

- энергия жизнеобеспечения,

- связанная энергия,

- энергия изменения объема тела,

- энергия изменения вещества.

Графики полных энергий модели воздухоопорной оболочки в потоке воздуха [1,18] и энергии системы приводятся на Рис. 1.1

Рис. 1.1. a, b. Эволюция методов определения энергии тела и системы , в функции скорости потока

Обозначения теоретических методов расчета энергии: (mech.STAND) - расчет по стандартам; (meN) - классическая механика Ньютона; (total CM) - механика сплошной среды; (total, pdV, ED) - энергодинамика; (total, RS) - реальная система; (total, pV, RS) - реальная система с учетом изменения объема; (T) - составляющая энергии от распределения температуры в системе; (cont) - полная энергия, полученная экспериментально.

Метод определения полной энергии реальных систем учитывает изменения состава компонентов, формирование адаптаций, изменения формы тела и состояний среды [23] и энергии контакта тела и среды.

Из Рис. 1.1 следует, что наиболее точное энергетическое состояние системы (тело изменяемой формы в среде) определяется методами теории «Реальные системы».

Общее соотношение для энергии реальной системы имеет вид:

Эксергия (exergy) открытой системы [15] (часть энергии системы, равная максимально полезной работе, которую может выполнять система) определяется соотношением:

Обобщенный потенциал системы,

Полная энергия реальной системы в потоке воздуха, создаваемого аэродинамической трубой [1], определяется соотношением:

Обобщенный потенциал системы:



Энергия системы при учете полной массы тела в функции скоростей потока воздуха создаваемого аэродинамической трубой, определяется соотношением:

Обобщенный потенциал системы,

;

Механическая энергия системы при учете массы тела, расположенной выше нулевой отметки основания, от детерминированных скоростей потока воздуха (v) определяется соотношением:

Обобщенный потенциал системы:

Обобщенные силы, действующие в системах по методам:

· классической механики:



· механики сплошной среды и термодинамики:

· теории открытых систем и энергодинамики:

· теории «Реальные системы»:

Инергия системыинергия - превращаемая, неравновесная, работоспособная часть энергии системы, в отличие от анергии - непревращаемой, неработоспособной части[5]

Неупорядоченная внутренняя энергия (диссипативная энергия):

Энергия открытой системы:

где:

, - полная механическая энергия с учетом изменений формы, давления с объемом, температур и энергии контактов тела и среды;

, - внутренняя энергия системы;

- информационные составляющие (упорядоченной и неупорядоченной энергии);

Энергия открытой системы [11]:

где:

1.2 Эволюция методов определения энергии системы

Полная энергия тела (классическая механика Ньютона-Эйлера) [3]:

(1.2.1)

Механическая энергия потока:

Внутренняя энергия тела:



Температурная энергия тела:

где - постоянная Больцмана.

Энергия системы (механика сплошной среды) [8]:

(1.2.2)

где:

Энергия системы (теория открытых систем) [15]:

где:

- механическая энергия;

- внутренняя энергия;

- энергия положения;

- объемная энергия.

- тепловая энергия системы (стационарная + нестационарная);

;



- изменение механической энергии от контакта среды с телом;

- изменение механической энергии в результате действия диссипативных структур (диффузии, внутреннего трения, теплопроводности).

Энергия системы (энергодинамика) [7,13]:

Упорядоченная энергия системы (эксергия):

Неупорядоченная внутренняя энергия (диссипативная энергия):

Полная механическая энергия:

Внутренняя энергия системы:

Полные энергии модели воздухоопорной оболочки в потоке воздуха [1,18] и энергии системы приводятся на Рис. 1.2.



Рис. 1.2. Расчетные значения энергии тела и системы для модели воздухопорной оболочки в потоке воздуха [1,18].

Обозначения: Е (me, N) - механическая энергия (классическая механика); Е (me, CM) - механическая энергия (механика сплошной среды); Е (ED and RS) - энергия (энергодинамика и теория «Реальные системы»).

Инергия системы:

Неупорядоченная внутренняя энергия (диссипативная энергия):

Энергия (открытые системы):

(1.2.5)

где:

;

- информационные части (упорядоченной и неупорядоченной энергии);

Энергия (теория «Реальные системы»):

(1.2.6)

где:

- химическое сродство; - изменение в молях количества вещества, полученное в результате химической реакции; - энергия массообмена как результат химических реакций.

Полная энергия системы:

Зависимость полной энергии открытой системы от воздействия воздушного потока, создаваемого аэродинамической трубой:

Обобщенный потенциал системы:

Обобщенные силы соответствующие[21]:

· Классической механике: ;

Сила, действующая со стороны механической системы равна градиенту потенциальной энергии системы:

· Механике сплошной среды и классической термодинамике: ;

Сила, действующая со стороны системы равна градиенту производной внутренней энергии системы: ;

· Теории открытых систем и энергодинамике:

Сила, действующая со стороны системы равна градиенту внутренней энергии системы:

· Теория «Реальные системы»: ;

Сила, действующая со стороны произвольно-выделенного объема системы на тело равна градиенту упорядоченной энергии во всем объеме системы:

.

Полная механическая энергия системы с учетом полной массы тела от воздействия воздушного потока:

Обобщенный потенциал системы:

Полная механическая энергия системы с учетом массы тела выше нулевой отметки основания оболочки от воздействия воздушного потока:



Обобщенный потенциал системы,

1.3 Сводка формул энергии для случая обтекания тела потоком воздуха

Общие условия:

- скорость потока;

- температура;.

Энергия тела (Классическая механика Ньютона-Эйлера) [3]:

· недеформируемого тела массой (масса контура с узлами крепления, масса тканевой части модели):

· малодеформируемого тела массой (учитывается только деформируемая часть поверхности модели):

Энергия (Механика сплошной среды c учетом внутренней энергии среды и модели[8]).



где:

,

i - число степеней свободы газа.

Энергия тела (Неравновесная статистическая механика) [14].

(1.3.4)

где:

Энергия (Теория открытые системы) [11,15].

Энергия системы при взаимодействии с внешним полем:

(1.3.5)

где:

- механическая энергия (сумма кинетической и потенциальной энергий);

- энергия положения;

- внутренняя энергия;

- тепловая энергия системы (стационарная + нестационарная);

- контактная энергия;

- энергия контакта среды и тела;

- изменение механической энергии от контакта среды с телом;

- изменение механической энергии в результате действия диссипативных структур (диффузии, внутреннего трения, теплопроводности).

Энергия (Энергодинамика) [16,17,27]

(1.3.6)

где:

- полная упорядоченная энергия системы (эксергия) [14]:

- неупорядоченная внутренняя энергия (диссипативная энергия):

- полная механическая энергия:

- внутренняя энергия системы:

- инергия [5] системы:

- неупорядоченная внутренняя энергия (диссипативная энергия):

- инергия неупорядоченных систем

Энергия (Теория реальные системы) [2]

(1.3.7)

где:

- полная энергия открытой системы;

- упорядоченная часть энергии открытой системы;

- неупорядоченная часть энергии открытой системы;

- полная механическая энергия системы;

- информационная часть энергии системы, взаимодействующая со средой;

- внутренняя энергия системы;

- внутренняя неупорядоченная информационная часть системы, рассеиваемая в пространстве.

- кинетическая энергия; - потенциальная энергия;

- изменение энергии в деформируемом пограничном слое;

- энергия текущего положения (;

- энергия изменения объема и давления.

- тепловая энергия системы (стационарная + нестационарная);

;

- изменение механической энергии от контакта среды с телом;

- изменение механической энергии в результате действия диссипативных структур (диффузии, внутреннего трения, теплопроводности).

Кинетическая энергия, определяемая линейными и угловыми скоростями



где:

- кинетическая энергия поступательного движения (энергии движения центра масс системы и энергии взаимного движения макроскопических частей системы):

- кинетическая энергия вращательного движения (энергии вращения системы как целого и энергии относительного вращения частей системы);

и - абсолютная скорость движения системы как целого и скорость перемещения части системы,

и - угловая скорость вращения системы как целого и угловая скорость вращения частицы.

Энергия системы:

где:

- полная упорядоченная энергия системы (эксергия):

- неупорядоченная внутренняя энергия (диссипативная энергия):

Полная механическая энергия деформируемого тела:



Внутренняя энергия системы:

где:

- свободная энергия;

- внутренняя энергия и энтропия равновесного состояния;

- упорядоченная внутренняя энергия (инергия);

- неупорядоченная внутренняя энергия (диссипативная энергия);

-инергия неупорядоченности системы;

- степень упорядоченности неоднородных систем.

Основное соотношение, определяющее состояние системы , имеет вид:

(1.3.10)

где:

- обобщенные потенциалы системы (скаляры);

- обобщенные силы (векторы);

- обобщенные крутящие моменты (векторы);

- обобщенные информационные величины и величины эмерджентности.

Изменение внутренней энергии неравновесной системы:

;

где:

- поступательная скорость переноса полевой величины ;

- угловая скорость вращения (переориентации).

Тогда энергия системы (1.3.10) будет иметь вид:

На диаграммах Рис. 1.3 приводятся значения энергий системы, определенные различными методами.

Рис. 1.3. Значения энергий тела и системы, определенные различными методами

Обозначения: МСМ of N - классическая механика Ньютона, MCM (M (c+fs) - классическая механика объектов консервативных систем с массой контура и узлами крепления, MC - механика сплошной среды, NSM - неравновесная статистическая механика, ТOS - теория открытых систем, ED - энергодинамика, TRS - теория реальных систем [4,20]



Для энергий, значения которых найдены методами теории открытых систем, энергодинамики, теории реальных систем дополнительно показано разделение полной энергии системы на упорядоченную (полезная работа) и неупорядоченную (диссипативная) части.

Наилучшее совпадение с экспериментом [1] дают методы теории «Реальные системы» [4].

При рассмотрении энергий элементов или фрагментов системы общие значения энергии в выше приведенных формулах заменяются парциальными энергиями точек системы. Энергии фрагментов системы определяются суммированием однотипных энергий точек, а энергия тела определяется интегрированием энергий фрагментов по деформируемой поверхности тела.

В поливариантных системах, совершающих работу за счет изменения внутренней и внешней энергии, полную энергию системы можно представить как сумма парциальных энергий [24] всех ее степеней свободы:



2. Экспериментальные значения энергии системы

Рис. 2.1. Механическая энергия малодеформируемой оболочки (E(me), hard) [9] в функции начального значения управляющего параметра и расчетный уровень механической энергии для определения прочности и деформативности по стандартам (E (k, calc)),

Обозначения: (E(me), hard) - механическая энергия твердой оболочки; (E (k, calc)), - расчетная механическая энергия по требованиям стандартов.

Рис. 2.2. Виды энергий системы как целого в функции начального значения управляющего параметра .

Обозначения: E(k) - кинетическая энергия, Е(р) - потенциальная энергия, Е(me) - механическая энергия (все три определены для модели оболочки); U(e) - внутренняя энергия, dU(e) дифференциал внутренней энергии; (U(e) - dU(e)) - упорядоченная внутренняя энергия, (pdV) - энергия изменения объема модели оболочки, Э, is - полная энергия экспериментальной системы, E(dis) - диссипативная энергия системы; E(re) - полная энергия реальной системы

Примечание. Индекс (is) относится к системе с оболочкой изменяемой формы по эксперименту

Упорядоченная энергия открытой системы:

Неупорядоченная энергия открытой системы:

Из сравнения расчетных значений механической энергии Рис. 2.1 и Рис. 2.2 с реальным значением полной энергии системы (Рис. 2.3) следует, что расчетное значение механической энергии, вычисленное по нормативным документам (стандартам):

· не определяет состояние системы для значений управляющего параметра в диапазоне , что соответствует скоростям потока ;

· переоценивает состояние системы в диапазоне .

Таким образом: при расчетном значении механической энергии, система не работоспособна при скоростях потока выше 25 м/с и не эффективна (по затратам материала и прочностным характеристикам) при скоростях потока ниже 25 м/с.

Рис. 2.3. Отношение механической энергии к полной энергии и отношение упорядоченной энергии к полной энергии в функции начального значения управляющего параметра (состояния системы). J=1,2 индекс отношения энергий.

(2.1)

Сравнение относительных коэффициентов и показывает, что использование механической энергии для расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) системы недопустимо, так как она неадекватно описывает состояние системы и, поэтому, для расчетов НДС деформируемых объектов следует использовать упорядоченную энергию системы.

Из Рис. 2.3. следует, что используемый в настоящее время прием увеличения механической энергии тела за счет одного вида энергоносителя, в частности массы, не может привести к желаемым результатам, так как пропорционально увеличению массы изменяется полная энергия тела.

Рис. 2.4. Степень упорядоченности системы в функции начального значения управляющего параметра (состояния системы)

Обозначение: h на Рис. 2.4. соответствует .

степень упорядоченности системы [17,19].

Степень упорядоченности системы определяется соотношением:

(2.2)

Из Рис. 2.4 следует, что энергия системы с телами изменяемой формы становится упорядоченной при значениях управляющего параметра .

При значениях , соответствующие скоростям потока , упорядоченность энергии системы возрастает и при этом форма тела может изменяться в больших пределах. Увеличение упорядоченности энергии и соответственно самой системы приводит к усложнению формоизменения тела за счет процессов самоорганизации.

С образованием волн на поверхности тела (оболочки) в зоне активного действия потока неупорядоченность системы уменьшается с увеличением количества волн, т.е. происходит процесс самоорганизации системы за счет изменения формы тела.

Изменения полной энергии по соотношению (1.3.7) приводятся на Рис. 2.5.

Рис. 2.5. Изменение полной энергии системы в термодинамическом представлении в функции начального значения управляющего параметра .

Вместо dE* (ордината) следует поставить - изменение видов энергии системы. dЭ = - изменение полной энергии

Обозначения на диаграммах:

. (2.3)



Коэффициенты обобщенных сил и моментов - экспериментальные значения (весовые характеристики). Значения на Рис. 2.5 приводятся по модулю.

Экспериментальные значения интервалов времени релаксации отдельных компонент видов энергии к стационарному значению (частичному равновесию) показаны на Рис. 2.6.

Рис. 2.6. Экспериментальные значения интервалов времени (мин.) релаксации компонент видов энергии

Интервал времени релаксации к стационарному состоянию изменяется скачкообразно в диапазоне с образованием волновых форм в активной области тела а в диапазоне с потерей устойчивости областей тела в потоке.

Изменение формы тела в потоке (образование волновых форм в области активного действия потока на тело) приводит к стабилизации состояния тела [6].

Изменение энергии в единицу времени определяется формулой (2.4) и Рис. 2.7

(2.4)



Рис. 2.7. Изменения компонент видов энергии в составе

Обозначение: Вместо dE*/dt (ордината) надо поставить

> - поток энергии (изменение энергии системы за единицу времени)

; (2.5)

На Рис. 2.7 учтена направленность компонент производства энергии .

Компоненты производства энергии разделяются на упорядоченную и неупорядоченную составляющие.

Развернутая форма закона сохранения энергии [27,28] имеет вид:

(2.6)

где:

- обобщенный термодинамический потенциал;

- скорость изменения плотности (перенос физической величины через границы системы) при теплообмене, объемной деформации, диффузии и т.д.;

- плотность внутренних источников диссипативных (самопроизвольных) процессов (трения, расширения в пустоту и т.д.);

- движущая (термодинамическая сила в энергетическом представлении) сила процесса;

- плотность потока смещения элемента относительно центра масс системы;

- момент силы ;

- угловая скорость вращения элемента относительно центра масс системы.

Для рассматриваемого примера взаимодействия надувной оболочки с потоком воздуха диаграмма распределения и компонент приводится на Рис. 2.8.

Рис. 2.8. Закон сохранения энергии для неоднородных сред с кручением

На Рис. 2.8. компоненты производства внутренней энергии (2.6) в функции параметра приведены к виду:

где:

; ; ; .



При исследовании обтекания оболочки потоком воздуха с учетом изменения формы оболочки, нестационарности потока в функции управляющего параметра :

- обобщенная сила (функция лобового сопротивления);

- момент силы (функция момента тангажа).

Компоненты видов энергии, определяемые параметром , имеют двузначные значения.

· Знак показывает, что виды энергии имеют направление противоположное воздействию на систему (тело сопротивляется действию среды).

· Знак характеризует состояния, в которых тело использует энергию среды.

Обобщенные весовые характеристики тела (объекта) для реальных систем соответствуют коэффициентам термодинамических сил, но не аэродинамических сил в физическом понятии.

Диаграммы Рис. 2.7 - 2.8, помимо процессов рассеяния и переноса энергии описывают процессы переориентации векторов смещения , возникающие при наличии моментов и обобщенных сил .



3. Конкурентное сообщество и гиперобъем существования систем

Конкурентное сообщество - любые взаимоотношения видов систем и их сочетания.

Системный анализ определяет состояния системы как связи производства энергии в функции градиента нагрузки (в энергетическом представлении) или ресурса (энергии) [26]. Физически зависимость выражается производством энергии в функции действующих сил (градиента энергии) [21].

Графически эти связи представляют собой зависимости, где по оси абсцисс приводятся значения градиента ресурса, а по оси ординат - величина производства (увеличения или потребления) энергии. В результате для каждого вида ресурса получаем кривую области существования системы для данного вида ресурса.

Для любого вида систем скорость изменение энергии произвольной области континуума является функцией ансамбля параметров, определяющих состояние системы.

Каждая сумма формулы (2.4) вносит свой вклад в производство энергии .

Так как компоненты суммы распределены неравномерно, то можно считать, что между ее компонентами в зависимости от степени вклада и направлениям возникают конкурентные отношения по величине вклада.

Скорость изменения энергии (производство энергии) зависит от условий:

· вида ресурса (энергетического представления);

· ширины спектра действия ресурса;

· сочетания ресурсов для одинаковых значений ;

· характеристик параметра , выполняющего функции управляющего параметра.

Особенностью физических систем является ширина спектра действия ресурсов (совокупность физических и виртуальных показателей состояния системы в реальном времени), которая распространяется на любые состояния системы. Ресурсы, - объекты, производственные мощности, запасы материалов, конечные результаты деятельности, стоимости.

Фактически гиперобласть (гиперобъем) представляет четырехмерное пространство. Трем переменным соответствует состояние среды. Четвертая ось характеризует степень упорядоченности системы. При рассмотрении ресурсов в энергетическом представлении учитывается не только величины ресурсов, но и граничные и начальные условия для каждого вида ресурса.

Сумма амплитуд каждого состояния ресурса определяет величину производства энергии при действии сочетаний ресурсов.

Аппроксимирующая функция максимальных значений сочетаний определяет гиперобъем, охватывающий полный диапазон условий, при которых физическая система может существовать. Следует учитывать, что переменные (состояния ресурса) являются независимыми, но в сумме определяют состояние системы для рассматриваемого сочетания ресурсов.

Перекрытие областей существования происходит тогда, когда система использует одновременно две или несколько ниш разных видов ресурсов. Перекрытие считается полным, если два или несколько видов ресурсов характеризуются идентичными кривыми. Если ниши полностью различны, перекрытия не наблюдаются. Так как каждому виду ресурсов соответствуют неидентичные кривые состояния, то перекрытие областей будет неполным, при этом одни виды ресурсов будут общими, а другие используются исключительно для одного ресурса.

В качестве примера рассмотрим, на основании данных эксперимента, взаимодействие оболочки с потоком воздуха.

Для рассматриваемого примера компонент производства энергии системы можно считать одним из ресурсов системы.

В таком сообществе физическая система, потребляющая энергию разных видов, находится в конкуренции со своими ресурсами и скорость потребления (или увеличения) ресурсов должна соответствовать скорости их возобновления (или убывания) на протяжении всего градиента энергии (внешнего воздействия).

За градиент энергии будем считать нарастание (убывание) меры взаимодействия (энергии) по какому-либо направлению (например, значению управляющего параметра).

Связь изменения градиента и направления изменения параметра представлена Рис. 3.1.

Величина градиента - вектор, направленный в сторону изменения начального значения управляющего параметра.

Из Рис. 3.1 следует, что максимальному значению соответствуют максимальные интервалы времени релаксации системы к локальному равновесному состоянию Рис. 2.3.

Рис. 3.1. Изменение градиента энергии в функции начального значения управляющего параметра

Условию соответствует потеря устойчивости оболочки в зоне активного воздействия потока. Условию соответствуют образования волновых форм в активной зоне потока и складкам у контура теневой зоны. Эти условия связаны с процессами самоорганизации

Состояние системы одного вида (Рис. 2.3) и вклады каждой компоненты в соответствие с системным анализом определяется «экологической нишей» (гиперобъемом существования системы) [27].

Компонент соотношения (Рис. 2.3) имеет свою нишу, неразрывно связанную с конкуренцией использования видов энергии [28].

Рис. 3.2. Взаимодействие сочетаний видов энергий конкурентного сообщества в функции производства (потребления) энергии

Обозначения гиперобъемов:

;

.

Гиперобъем - множество объемов, образуемых пересечением объемов энергий конкретных видов воздействий.

Гиперобъем - некоторая мера (grad E_i), сопоставляемые внутренности «гипертел» (тел в многомерном пространстве), обобщение множеств трехмерных реальных (деформированных для каждого вида воздействия) объемов.

Каждая энергия конкурентного воздействия представляется трехмерным объемом. Совокупность трехмерных объемов представляет собой объединенный объем энергий или гиперобъем.

Отдельные части гиперобъемов энергии (экологических ниш) с малыми амплитудами [29], расположенные по краям (grad E_i, гиперобъемов) имеют растянутые кривые, так их ресурсы возобновляются относительно редко [31].

Примечания:

1. Экологическая ниша - место в биоценозе, включающее комплекс биоценотических связей и требований к факторам среды;

2. Биоценоз - совокупность видов систем относительно пространства существования объектов открытой системы, связанных между собой, а также окружающей их средой [30].

3. Биоценоз открытой системы - это динамическая, способная к саморегулированию система, компоненты которой (продуценты, консументы, редуценты) взаимосвязаны.

Потря формы с отображением происходит при

В представленном на Рис. 1.2. сообществе конкуренты находятся в равновесии со своими ресурсами и скорость потребления ресурсов равна скорости их возобновления на протяжении всего градиента.

Производство энергии определяется двузначной функцией. Знак соответствует значениям, направленным на компенсацию возмущения, знак соответствует значениям энергии, рассеиваемым в пространстве.

Производство энергии , расходуемое на компенсацию воздействия среды приводится на Рис. 3.3.



Рис. 3.3. Диаграммы производства энергии в функции градиента энергии (gradE)

Обозначение по оси ординат dE/dt >

В энергодинамике число степеней свободы ориентируемых систем определяется ансамблем независимых переменных состояния, определяющих взаимодействие системы со средой.

Для систем с объектами изменяемой формы, помимо скорости потока энергоносителями являются масса и экстенсивные переменные [24]. Эти переменные являются также функциями параметров нагрузки. Параметры нагрузки относятся к ресурсам, определяющим состояние системы.

Ресурсы связаны с распределением также снеговой нагрузки и температурных воздействий (тепла подведенного к объекту для нормального функционирования).

Суммарное значение силы воздействия ресурса определяется скоростью изменения энергии и характеризуется гиперобъемом существования системы (экологическая ниша). Значения для экологической ниши определяют совокупность условий, при которых рассматриваемая организационная единица может существовать.

Область существования системы можно рассматривать как множество точек в пространстве среды. Поэтому для сочетаний нагрузок можно построить диаграмму гиперобъема существования системы (экологическую нишу).



Рис. 3.4. Область сочетаний энергий основных видов нагрузок для системы из мягкой оболочки, форма которой меняется под воздействием среды без образования волновых процессов в активной зоне

На Рис. 3.4. по оси абсцисс приводятся изменения производства энергии:

- от скорости потока; - от снеговой нагрузки с учетом движения и схода снега;

- от связанной энергии; - от внутренней энергии; - от изменения объема и формы; - системы в экспериментальном состоянии.

Ось абсцисс на Рис. 3.4 соответствует значениям градиента энергии ресурсов (компонент сочетания нагрузок). Ось ординат соответствует скорости изменения (потребления или возобновления) энергии. Гиперобъем (колоколообразная кривая) - точечная линия, усредняющая распределение производства энергии.

Под сочетанием нагрузок понимаются взаимодействия системы с реальными ветровыми нагрузками, массой системы, массой снеговой нагрузки и тепловыми воздействиями температуры, необходимой для нормального функционирования обитаемого объекта системы.

Диаграмма соответствует производству энергии, необходимой для функционирования системы.

В системном анализе взаимодействия ниш конкурирующих соотношений моделируется и описывается (колоколообразные кривые) использование непрерывного градиента ресурсов.

Максимальное значение колоколообразной функции соответствует расчетному уровню изменения ресурса (производства энергии).

Значение абсциссы Рис. 3.4 соответствует обобщенной величине (сил и моментов) внешнего воздействия потока воздуха на оболочку.



4. Верификация методов определения энергии в действующих стандартах и нормах проектирования объектов, зданий и сооружений

Климатология [32] рассматривает климатические параметры (температуры) холодного и теплого периодов года по статистическим выборкам для областей и городов.

Нормативные значения нагрузок и воздействий: постоянные, временные, кратковременные и климатические представлены для территориальных образований нормами [33, 35,44-50].

В нормах представлены детерминированные значения нагрузок (снег, ветер, лед, осадки, температура, интенсивности солнечной радиации и т.д.) с числовыми или аналоговыми значениями величин, учитывающими высоту местности над уровнем моря, характеристики застройки пространства и прочие характеристики.

Нагрузки и воздействия приводятся с неопределенностью исходной информации по координатам источника нагрузки относительно объекта.

Факторы неопределенностей информации по отношению к исследуемому объекту разделяются:

· на внешние факторы, отражающие влияние внешней среды;

· на внутренние факторы, отражающие взаимное влияние движущих сил внутри объекта на процесс и результат деятельности.

Нагрузки определены как среднестатистические для максимальных значений случайных выборок (не менее 50 лет) для детерминированных характеристик местности с неопределенностью исходной информации источника нагрузки по отношению к координатам объекта с представлением эпюр взаимодействия в виде модельных соотношений.

Основные принципы норм и стандартов:

· время абсолютно, однородно, мгновенная передача нагрузки на объект без потерь;

· пространство эвклидово, абсолютно, однородное, изотропное;

· пространство и время не зависят друг от друга;

· стационарность поля функционирования объекта и системы;

· эпюры распределения отдельных видов нагрузок модельные, квазиидеальные;

· связи между нагрузками в сочетаниях условные (коэффициентами сочетаний числовые).

Нормами рассматриваются объекты постоянной неизменяемой формы в равновесном состоянии для обратимых процессов. Это позволяет использовать принцип суперпозиции с фиксированным числовым распределением по длительности нагрузок при расчете сочетаний нагрузок и воздействий.

В качестве примеров расчета состояния объектов рассматривались здания и сооружения различных типов исполнения [34,36,39ч43] с учетом требований экологии [31] и требований надежности [37,38].

Исследования автора были сосредоточены на сооружениях [36] в виде воздухоопорных оболочек, как пример объектов, форма, характеристики и вещества которых реально и явно изменяются под действием нагрузок и воздействий.

Нормы рекомендуют определять напряженно-деформированное состояние объектов методами классической механики Ньютона для элементов в равновесном состоянии при действии обратимых процессов или методами механики сплошной среды для замкнутых систем в равновесном состоянии элементов.

На практике удовлетворить этим принципам практически оказывается невозможным по следующим причинам:

1. Оболочка не имеет стационарных (проектных) размеров, и ее размеры являются функцией технологических процессов изготовления, величины внутреннего избыточного давления и климатических параметров;

2. Материал оболочки обладает диффузионными свойствами, что делает невозможным принятие гипотезы о стационарности пространства функционирования объекта;

3. Материал оболочки анизотропный, что делает неприемлемым условие изотропности, которое предусматривает классическая механика;

4. Состояния объекта и его частей неоднородные, нелинейные, элементы находятся в неравновесных состояниях при необратимых процессах, что делает невозможность использования принципов суперпозиции;

5. Существенную роль играют нестационарности распределений нагрузок в поле, занимаемом системой.

Исследованиями рассмотрены две группы предельных состояний объектов при их взаимодействие с нагрузками и их сочетаниями:

· по потере несущей способности (максимальным значениям напряжений);

· по предельным значениям прогибов и деформаций (сопоставимых с толщиной).

Теоретические и экспериментальные исследования объектов, изменяющих форму, энергию, вещество и информацию при действии сочетаний нагрузок и воздействий показали, что предельные состояния этих объектов требуют уточнений.

В случаях первого предельного состояния требуются исследования максимальных значений главных натяжений.

Максимальные значений главных натяжений, по стандартам и нормам, или полученные в результате применения методов классической механики, не отвечают реальным физическим процессам и условиям функционирования системы и требуют обобщений системными методами.

Согласно нормам [34,36,38,47,54] напряженно-деформированное состояние сооружений определяется методами механики Ньютона и методами теории сплошной среды. Предполагается, что сооружения имеют постоянную форму, постоянное значение размеров и малые деформации, составляющие доли толщины материала сооружения.

Первое предельное состояние для сооружений сферической формы рекомендуется определять по формуле:

,

Для сооружений цилиндрической формы по формулам:

,

где: - избыточное давление и - размер сооружения для всех нагрузок остаются постоянными, т.е. .

В нормах отсутствуют требования по определению второго предельного состояния, и рекомендуется считать относительные нормальные перемещения точек на поверхности сооружения

Исследованиями автора [1,2,4] установлено, что:

· начальный (проектный размер сооружения) является функцией значений управляющего параметра и температуры внешней среды,

· натяжения сферической поверхности (первое предельное состояния) определяются следующими формулами:

где:

для случая

для случая ; 

Второе предельное состояние описывается формулой:

нестационарный реальный система

где: и - соответственно высота и диаметр сферической оболочки; - начальное значение управляющего параметра системы ( - начальное значение внутреннего избыточного давления, - скоростной напор потока воздуха).

Экспериментальные исследования показали, что для сооружений изменяемой формы, предлагаемыми нормами эпюры обтекания неприемлемыми. Экспериментально установлены фактические функции распределений координат нагрузок на поверхности сооружения и импульсов.

В связи с расчетом по первому предельному состоянию исследованиями установлено, что:

· Коэффициенты максимальных главных меридиональных и кольцевых усилий являются функцией отношений параметров геометрических и состояния для тел, изменяемой формы в потоке и функцией скорости для тел постоянного объема:

Для оболочек изменяемой формы с :

;

;

;

.

· Формулы расчета по первому предельному состоянию, предложенные нормами, являются нерелевантными, вследствие содержащейся в них концептуальной ошибки: нормы не рассматривают поведение реальной системы с подсистемой в виде оболочки в среде;

· Необходимым является обобщение методов классической механики, включающей неравновесные процессы с конечными перемещениями частиц тела и его взаимоотношения со средой.

В связи с расчетом по второму предельному состоянию установлена необходимость рассмотрения пространственного изменения систем в реальном неравновесном состоянии, т.е. в той части, которая не рассматривается классической механикой.

Методы расчета сооружений, изменяющих свою форму при действии нагрузок, согласно теории реальных систем и энергодинамики отличаются от существующих методов расчета.

В исследованиях энергия системы представляется суммой упорядоченной и неупорядоченной частей энергии с учетом:

· влияния упорядоченной части энергии на величины усилий и перемещений;

· работы сил всестороннего сжатия (растяжения);

· диссипативных процессов, связанных с переносом и преобразованиями энергии;

· влияния крупномасштабных флуктуаций и взаимных корреляционных функций нестационарных случайных процессов;

· вкладов видов энергий (выделение упорядоченной и неупорядоченной) системы;

· состояния системы: неравновесного состояния, при действии необратимых процессов, при неограниченных изменениях формы объектов в составе системы, учета нестационарности параметров среды и контактных взаимодействий объекта и среды.

Отличительными признаками теории «Реальные системы» являются:

· отсутствие ограничений на величины изменения формы и структуры объекта;

· учет нестационарности среды, принципов дальнего и ближнего воздействия среды на объект;

· учет посреднических факторов действия возмущенной среды вблизи тела, изменяющего форму;

· учет факторов изменения параметров среды (пограничных слоев) и аэродинамических коэффициентов распределения давления в функции текущей формы объекта;

· учет контактных взаимодействий объекта и среды при функционировании системы.



Предложения и выводы

Стандарты и нормы нагрузок (воздействий) содержат неопределенную информацию об их источнике (приводятся территориальные значения нагрузок и воздействий и модельные эпюры их распределений).

Считается необходимым ввести в эти нормативные документы функции распределения координат нагрузок и интенсивных параметров состояния по фазам колебаний.

Экспериментальные исследования систем (в том числе, в потоке) должны:

· содержать материалы, позволяющие определять пространственные характеристики частиц системы без ограничений скорости потока с учетом поступательного и вращательного движения частиц, сопоставимых с размерами тела;

· адекватно описывать изменения формы тела в потоке с учетом волновых процессов и образования зон складок.

Приведенные выше требования могут быть выполнены при условии:

· обобщения методов прикладной аэродинамики на движения частиц в общем виде на конечные расстояния;

· учета неравновесных состояний элементов системы;

· учета действиий необратимых процессов.

Теоретические исследования систем в потоке должны рассматривать напряженно-деформированное состояние частиц с учетом реальных (необратимых) процессов взаимодействия частиц и потока. Оценка напряженно-деформированного состояния системы должна содержать информацию о фактическом состоянии системы (тела) независимо от метода рассмотрения состояния

Приведенные требования могут быть выполнены при условии рассмотрения эволюции состояния системы в энергетическом представлении с учетом процессов синтеза и переноса в неравновесном состоянии элементов системы, а также особенностей диссипативных структур.

...