Введение к работе
Актуальность темы
Разработка методов синтеза новых жаропрочных материалов составляет одну из важнейших проблем развитая современной техники. Существующие традиционные методы синтеза сплавов требуют большого количества материальных и временных затрат. Условия рыночной экономики и дороговизна некоторых необходимых легирующих элементов требуют разработки и применения более экономных формальных методов компьютерного проектирования сплавов. Исследования российских и зарубежных ученых (Б.Б. Гуляева, А.А. Танеева, Е.Р. Готовцевой, Л.Ф. Павленко, В.М. Воздвиженского, РЕ. Шалина, Р.Р. Ртищева, СВ. Овсепян, Г.И. Морозовой, Р.У. Фяойда, Н. Юкавы, М. Моринаги, Н. Харады и др.) позволили добиться заметных результатов в данном направлении. Однако, большое число легирующих элементов, сложный механизм легирования в жаропрочных никелевых сплавах определяют малую эффективность большинства существующих расчетных методов, позволяющих производить лишь качественный анализ, который исключает определение прямой связи между жаропрочностью и составом сплавов. В то же время свойства наиболее распространенных лопаточных сплавов уже не удовлетворяют современным условиям эксплуатации турбинных двигателей в связи с требованиями значительного увеличения ресурса и повышения рабочей температуры. Поэтому работы в области автоматизации проектирования жаропрочных никелевых сплавов являются весьма актуальными.
В настоящее время общая концепция синтеза сплавов включает в себя два основных направления - активное планирование эксперимента и использование данных пассивного эксперимента, под которыми подразумевается накопленная информация о составе и свойствах разработанных и применяемых жаропрочных никелевых сплавов. Автоматизированное проектирование сплавов по данным пассивного эксперимента призвано ускорить процесс разработки новых материалов, сделать его результаты более предсказуемыми, ограничить экспериментальную часть исследований лишь проведением нескольких контрольных плавок
Целью работы является разработка системы автоматизированного проектирования (САПР) никелевых сплавов на основе концепции пассивного эксперимента.
Для этого были постаачены и решены следующие задачи:
-
Определение функций и разработка автоматизированного рабочего места (АРМ) проектировщика жаропрочных никелевых сплавов.
-
Разработка методики автоматизированного проектирования никелевых сплавов с использованием априорной информации в качестве данных пассивного эксперимента.
-
Построение математических моделей влияния легирующих элементов на жаропрочность никелевых сплавов.
-
Разработка технологии формирования базы данных (БД) и информационно-поисковой системы (ИПС) по современным жаропрочным никелевым сплавам.
-
Разработка алгоритмов и программная реализация проектных процедур, связанных с повышением информативности базы данных, оценкой резервов повышения жаропрочности никелевых сплавов, определением концентраций легирующих элементов, обеспечивающих максимум жаропрочности.
-
Экспериментальная оценка эффективности разработанной методики автоматизированного проектирования никелевых сплавов.
Методы исследований
Поставленные в работе задачи решались на основании методологии автоматизированного проектирования, теории вероятностей и математической статистики, методов математического моделирования, теории распознавания образов, теории автоматизированных банков данных, методов объектно-ориентированного программирования.
Достоверность полученных результатов обосновывается:
-
Независимым применением различных математических методов, позволяющим исключить влияние на результаты их систематических ошибок.
-
Сравнением полученных результатов с результатами аналогичных или близких постановок и решений отечественных и зарубежных авторов.
-
Обработкой результатов экспериментальных исследований синтезированного сплава и сопоставлением их с прогнозами жаропрочности по построенным моделям.
На защиту выносятся:
-
Методика автоматизированного проектирования никелевых сплавов по данным пассивного эксперимента.
-
Математические модели влияния легирующих элементов на жаропрочность.
-
Математические методы и реализующие их программы повышения информативности БД, оценки резервов повышения жаропрочности никелевых сплавов, определения интервалов концентраций легирующих элементов, обеспечивающих максимум жаропрочности, и структурно-параметрической идентификации математических моделей влияния легирующих элементов на жаропрочность.
-
Тематическая БД и ИПС по современным жаропрочным никелевым сплавам, доступная в Internet.
5. Результаты оценки эффективности автоматизированного проекшроьания
сравнением физико-механических и лшейных свойств синтезированного сплава
УГАТУ-3 со свойствами базового сплава ЗКС6-К.
Научная новизна
-
Разработаны система и методика автоматизированного проектирования никелевых сплавов на основе моделирования влияния легирующих элементов на жаропрочность.
-
Разработаны полиномиальные модели влияния легирующих злем-еьтов на жаропрочность никелевых сплавов.
-
Разработана технология формирования тематической БД и ИПС по жаропрочным никелевым сплавам, доступной в Internet
-
Разработана методика повышения информативности БД с использованием методов интерполяции жаропрочности сплавов в нелинейных шкалах.
-
Разработана методика и осуществлена оценка резервов повышения жаропрочности сплавов на основе информации из БД.
-
Разработана методика информационной оценки оптимальных по жаропрочности интервалов концентраций легирующих элементов.
-
Разработана методика структурно-параметрической идентификации математических моделей влияния легирующих элементов на жаропрочность и прогнозирования жаропрочности для составов никелевых сплавов в широком диапазоне температур.
Основное практическое значение результатов
1. Разработаны система и новая методика автоматизированного проектирования никелевых сплавов с использованием априорной информации о составе и свойствах известных сплавов, которая позволяет в 4-5 раз сократить сроки создания новых мно-
гокомпокентшлх сплавов, в 40-50 раз снизить трудозатраты, в 10-20 раз сэкономить расход дорогостоящих материалов.
-
На основе разработанной методики рассчитан химический состав нового многокомпонентного высокожаропрочного никелевого сплава УГАТУ-3. Исследованы физико-механические и литейные свойства синтезированного сплава, произведено их сравнение со свойствами базового сшіава ЖС6-К.
-
Использование метода интерполяции в нелинейных шкалах позволило сократить необходимое число экспериментальных температурных исследований жаропрочности сплавов.
-
Впервые создан банк данных глубиной поиска 40 лет по химическим составам и свойствам жаропрочных никелевых сплавов. Разработана нормализованная структура БД и алгоритмы ИПС по жаропрочным никелевым сплавам. Получена БД и осуществлена программная реализация ИПС, применение которой является необходимой основой для разработки математических моделей жаропрочных никелевых сплавов.
-
Применение компонентной технологии разработки программного обеспечения (ПО) делает пршщипиально возможным применение разработанных программ для решения задач, характеризующихся зашумленностью, малой информативностью н значительной размерностью исходных данных.
Новизна, значимость технических решений и приоритет разработок подтверждаются авторским свидетельством РосАПО об официальной регистрации программы для ЭВМ «Информационно-поисковая система по жаропрочным сплавам», регистрацией программы «Экспертная система синтеза жаропрочных никелевых сплавов» в национальном библиотечно-информациоиком фонде Российской Федерации, докладами и публикациями на всероссийских и международных научных конференциях, в межвузовских научных сборниках.
Практическая реализация работы
-
По результатам автоматизированного проектирования произведена плавка синтезированного сплава УГАТУ-3, исследованы его механические и литейные свойства. Сплав прошел производственную апробацию в серийных условиях ОАО УМПО. Отлитые рабочие лопатки ГТД прошли все виды контроля, предусмотренные в серийном производстве.
-
Рабочая версия ИПС по тематической БД жаропрочных никелевых сплавов внедрена на ОАО УМПО, в БРЦ НИТ (УГАТУ), ОАО НИИТ (г. Уфа).
-
Практические результаты исследований внедрены в учебный процесс УГАТУ в виде лабораторных работ «Компьютерное исследование состава и свойств жаропрочных никелевых сплавов» и «Компьютерное моделирование оптимальных составов жаропрочных никелевых сплавов» по дисциплине «Синтез литейных сплавов» на базе программы для ЭВМ «Экспертная система синтеза жаропрочных никелевых сплавов».
Практическая реализация работы осуществлялась в рамках выполнения хоздоговорных исследований и тематического плана госбюджетных НИР УГАТУ.
Апробация работы
Основные результаты работы и отдельные ее разделы доложены и обсуждены на научных конференциях, совещаниях и семинарах, в том числе: Всероссийской молодежной научной конференции «XXII Гагаринские чтения» (г. Москва, 1996), Всероссийской научно-технической конференции «Теория и технология электрохимической обработки» (г. Уфа, 1996), Всероссийской научно-технической молодежной конференции по проблемам энергомашиностроения (г. Уфа, 1996), научном семинаре в институте математики УНЦ РАН (г. Уфа, 1997), Республиканской научной конференции
студентов и аспирантов по физике (г. Уфа, 1997), Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» (г. Москва, 1997), Всероссийской научно-практической конференции «Прогрессивные технологии в литейном производстве» (г. Екатеринбург, 1997), Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Информационные и кибернетические системы управления и их элементы» (г. Уфа, 1997), I Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы химии и химической технологии» (г. Иваново, 1997), Всероссийской научно-технической конференции «Прогрессивные технологические процессы, оборудование и экологические аспекты в литейном производстве (г. Пенза, 1997), Международной научно-технической конференции «Прогрессивная техника и технология машиностроения, приборостроения и сварочного производства» (г. Киев, 1998), Всероссийской молодежной научной конференции «XXTV Гагаринские чтения» (г. Москва, 1998), Международной научной конференции «Ракетно-космическая техника: Фундаментальные проблемы механики и теплообмена» (г. Москва, 1998), Международной конференции «Совершенствование литейных процессов» (г. Екатеринбург, 1999), Международной научной конференции «Моделирование, вычисления, проектирование в условиях неопределенности - 2000» (г. Уфа, 2000).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 19 научных работ, в том числе 8 печатных трудов в тематических сборниках и трудах научно-технических конференций российского и международного значения, 9 тезисов докладов на всероссийских и международных научно-технических конференциях, 2 программы для ЭВМ.
Структура и объем работы
