Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. ПРОБЛЕМЫ ПОСТРОЕНИЯ САПР МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
ПОРОШКОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ 10
1.1. Механические процессы порошковой технологии. Краткое описание 10
1.2. Задачи проектирования механических процессов порошковой технологии 19
1.3. Анализ математических моделей предметной области 24
1.4. Проблемы разработки программного обеспечения САПР МППТ 40
1.5. Выводы 49
ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САПР МППТ 50
2.1. Математическая модель процесса измельчения 50
2.2. Математическая модель центробежной сепарации 55
2.3. Обоснование выбора метода решения модельных уравнений 62
2.4. Вычислительная модель процесса измельчения 67
2.5. Вычислительная модель процесса сепарации 75
2.6. Идентификация модели измельчения 81
2.7. Выводы 98
ГЛАВА 3. ПРОГРАММНОЕ, ЛИНГВИСТИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ
ОБЕСПЕЧЕНИЯ САПР МППТ 102
3.1. Формализация модели предметной области механических процессов порошковой технологии 102
3.2. Язык проектирования механических процессов порошковой технологии и его реализация 108
3.3. Функциональная схема и реализация САПР механических процессов порошковой технологии 119
3.4. Информационное обеспечение САПР МППТ 131
3.5. Подсистема управления диалогом 146
3.6. Выводы 152
ГЛАВА 4. МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САПР МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПОРОШКОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ 154
4.1. Методика определения параметров модели процесса измельчения 154
4.2. Методика определения дисперсных характеристик перерабатываемого продукта в технологических линиях 166
4.3. Результаты реального проектирования МППТ 178
4.4. Выводы 189
Заключение 191
Литература 197
Документы, подтверждающие внедрение результатов работы 208
Приложение I 213
Приложение 2 214
Приложение 3 222
Приложение 4 224
Приложение 5 227
Приложение 6 230
Приложение 7 232
- Механические процессы порошковой технологии. Краткое описание
- Математическая модель процесса измельчения
- Формализация модели предметной области механических процессов порошковой технологии
- Методика определения параметров модели процесса измельчения
Введение к работе
Как было отмечено в принятых ХХУІ съездом КПСС "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 гг. и на период до 1990 г.", расширение автоматизации проектно-конструкторских работ с использованием электронно-вычислительной техники является одним из основных путей использования достижений науки и техники в народном хозяйстве.
Многие задачи технического прогресса в металлургии и химической промышленности, в электронике и энергетике, пищевой и фармацевтической промышленности, в производстве строительных материалов, твердых топлив для реактивных двигателей, взрывчатых веществ и т.п. связаны с получением порошкообразных материалов. Их мировое производство достигает миллиарда тонн в год. На это затрачивается около 10% всей вырабатываемой электроэнергии. Несколько миллионов тонн высококачественной стали расходуется только на изготовление мелющих тел \l\.
Однако, несмотря на все возрастающее значение порошковой технологии, теория ее механических процессов (измельчение, смешивание, классификация, сушка и т.п.) разработана в недостаточной степени, а многочисленные эмпирические исследования почти не обобщены. Этим объясняется не всегда оправданный выбор оборудования и технологических схем при проектировании, в то время как современная технология предъявляет все более жесткие и разнообразные требования к качеству порошков по дисперсности, чистоте, сохранности и т.д.
В связи с этим в нашей стране и за рубежом проявляется повышенный интерес к созданию систем автоматизированного про- і - 5 - ектирования предприятий и технологических линий производства порошкообразных материалов. Составной частью таких технологических САПР является подсистема анализа критериев эффективности проектируемых систем, позволяющая определить ВОЗМОЖНОСТЬ получения готового продукта заданного качества [2]. Существующие системы анализа качества продукта базируются на частных эмпирических зависимостях, и могут быть использованы только для исследования кинетики дисперсности материалов с известными физико-механическими свойствами, перерабатываемым по заранее фиксированной технологической схеме [3-5, 90-92] .
Таким образом, создание системы анализа качества продукта в виде подсистемы САПР механических процессов порошковой технологии (МППТ), обладающей свойством универсальности с точки зрения используемого оборудования, перерабатываемого материала и топологии технологической схемы, представляет собой актуальную задачу, решение которой имеет большое теоретическое и практическое значение. При этом данная подсистема должна обладать всеми свойствами системы и быть самостоятельной системой, т.е. отвечать основным принципам создания САПР и содержать такие компоненты, как математическое, лингвистическое, программное, информационное и методическое обеспечения.
Создание такой системы оказалось возможным благодаря развитию нового научного направления в области описания кинетики разделительных процессов, разрабатываемого профессором Е.А,Непомнящим [б]. Причины, по которым до сих пор не были созданы подобные системы, следует, видимо, искать в сложности связей между параметрами реальных процессов и моделей этой - б - кинетической теории, отсутствии действенных методик их определения, невозможности использования в практических ситуациях аналитических решений, а при решении на ЭВМ, в необходимости применения специальных методов.
Цель работы. Целью данной работы является исследование принципов и методов организации основных компонентов САПР МППТ и реализации на основе этого исследования подсистемы анализа качества продукта.
Для достижения поставленной цели требуется решить ряд конкретных задач: разработать и исследовать систему аналитических и имитационных моделей, описывающих предметную область; определить структуру лингвистического обеспечения подсистемы анализа качества (ПАК) проектируемого продукта, осуществляющую взаимодействие проектировщика и ЭВМ при решении проектных задач в пакетном и диалоговом режимах; исследовать и реализовать архитектуру программного и информационного обеспечений ПАК, ориентированных на экономичность разработки; разработать методическое обеспечение ПАК с целью эффективной эксплуатации системы.
Основные методы исследования. Разработка концепций ПАК и обоснование предложенных архитектурных решений выполнялись с использованием теории и методов построения пакетов прикладных программ, систем моделирования, систем управления базами данных, непроцедурных проблемно-ориентированных систем программирования и диалоговых систем программирования. В исследованиях применялся аппарат математической физики, теории разно- стных схем и теории идентификации систем. При решении задач реализации использовались теория и методы системного программирования, связанные с разработкой транслятора, методов доступа и подсистемы генерации пакета.
Основные научные результаты. В диссертационной работе получены и выносятся на защиту следующие новые научные результаты:
Предложена система аналитических и имитационных моделей описания механических процессов порошковой технологии, которая, в отличие от известных [3-5, 91, 92], позволяет реализовать ПАК САПР, инвариантную по отношению к используемому оборудованию, перерабатываемому продукту и топологии технологической схемы.
Впервые определена и обоснована структура непроцедурного проблемно-ориентированного языка проектирования применительно к САПР МППТ. Этот язык обеспечивает автоматизированное построение моделей аппаратов и технологических линий по содержательному описанию как в пакетном, так и в диалоговом режимах.
Предложена архитектура программного обеспечения ПАК МППТ в форме пакета программ, основным отличием которой является использование макропроцессора для генерации управляющей программы, что позволяет адаптировать ПО к условиям эксплуатации и расширению предметной области.
Предложены методы идентификации моделей, отличающиеся от известных [7І для данных типов моделей тем, что позволяют примерно в два раза сократить пространство поиска параметров.
Практическая ценность. Практическая ценность результатов - 8 -диссертационной работы заключается в следующем:
Разработана подсистема анализа качества перерабатываемого материала, являющаяся составной частью САПР МПЇЇТ. Данная подсистема предоставляет возможность проектировщикам технологии производства и переработки порошкообразныхкматериалов оценить дисперсные характеристики проектируемого продукта в заданные моменты времени в зависимости от топологии технологической схемы, режимов работы оборудования и свойств материала.
Предложена и реализована методика построения транслятора входного языка системы с использованием штатного макрогенератора ПЛ/І. Разработанный по этой методике транслятор обладает свойствами расширения и терминологической настройки.
Разработана подсистема генерации пакета программ, позволяющая автоматизировать процесс совершенствования программного обеспечения системы на пути замены существующих и добавления новых моделей и обеспечивающая настройку пакета на конкретные условия эксплуатации.
Разработаны методики практического использования системы, позволяющие существенно сократить сроки внедрения ПАК САПР МППТ в проектных организациях.
Реализация результатов работы. Теоретические и практические результаты диссертации использованы в двух научно-исследовательских работах, выполненных на кафедре Теоретической механики ЛЭТИ им. В.И.Ульянова (Ленина).
Разработанная ПАК САПР МППТ использована при проектировании технологической линии производства ферритового порошка на предприятии г.Рыбинска, при проектировании технологической линии по шлифованию сложнопрофильных изделий в ВНИИАШ (г.Ленинград) , Отдельные элементы ПАК используются в Московском институте химического машиностроения для исследования кинетики разделительных процессов в гидроциклонных аппаратах.
Суммарный экономический эффект от внедрения результатов работы составляет более 150 тыс.рублей. Документы, подтверждающие внедрение, приведены в диссертации.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуадались на:
6-м Международном конгрессе по химической технологии, химическому машиностроению и автоматизации проектирования, г.Прага, 1978;
3-й Всесоюзной конференции "Механика сыпучих материалов", г.Одесса, 1975; - 4-й Всесоюзной конференции "Механика сыпучих материалов',' г.Одесса, 1980;
1-м Всесоюзном симпозиуме "Исследование и промышленное применение гидроциклонов", г.Горький, 1980;
4-м Всесоюзном симпозиуме "Реология бетонных смесей и ее технологические задачи", г.Юрмала, 1982; научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ЛЭТИ им. В.И.Ульянова (Ленина), г.Ленинград, 1974-1982.
Публикации. По результатам выполненных теоретических и экспериментальных исследований опубликовано 19 печатных работ.
class1 ПРОБЛЕМЫ ПОСТРОЕНИЯ САПР МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
ПОРОШКОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ class1
Механические процессы порошковой технологии. Краткое описание
Основной проблемой в технологии производства порошка является установление взаимосвязи между дисперсностью порошка, физико-химическими характеристиками его частиц, затратами энергии и параметрами мельницы. Очень важно предвидеть качество готового продукта с точки зрения его дисперсности. Причина заключается в том, что в различных отраслях промышленности существуют резко выраженные различия в требованиях к качеству порошка [в]. Так, например, в цементной и керамической промышленностях стараются получить возможно большую поверхность материала; в горнорудной - преследуется цель получения порошка с определенным гранулометрическим составом, без образования переизмельченных частиц; в электро-радиотех-нической - требуется получить порошок, размер частиц которого должен быть в области сверхтонкого помола (менее 0.01 мкм) и минимальной дисперсии.
Качество готового продукта определяется следующими характеристиками: удельная поверхность, средний размер частиц, распределение частиц по размерам.
Как следует из экспериментальных данных [i], распределение частиц в продуктах измельчения в общем случае аппроксимируется некоторой кривой с одним асимметричным максимумом, более полого спадающим в сторону крупных частиц. Эту аппроксимирующую кривую называют дифференциальной характеристикой гранулометрического состава. Используется и интегральная характеристика, которая аппроксимирует суммарное распределение частиц порошка по размерам. Диапазоны размеров, по которым строятся экспериментальные распределения частиц материала, называются классами.
В процессе диспергирования наступает момент, когда кроме дезинтегрирующих сил, разрушающих материал, заметную роль начинают играть противоположные силы, приводящие к агрегированию частиц [I]. Этим объясняется наличие максимума в дифференциальных кривых распределения. Точка экстремума называется точкой агрегирования. Присутствие процесса агрегирования ярко выражается при сухом измельчении. При измельчении в жидкой среде точка агрегирования существенно сдвигается в сторону минимально достижимых размеров частиц. Выявление ее наличия трудноосуществимо из-за несовершенства аппаратуры дисперсионного анализа. Поэтому дифференциальные функции распределения частиц порошков часто изображают в виде убывающей кривой с наибольшим значением в точке минимально достижимых размеров.
Все многообразие требований, предъявленных практикой к порошкам и к способам их получения, привело к созданию самых разнообразных типов машин и различных конфигураций технологических линий производства порошков [I, 8-13]. Наибольшее распространение получили машины, в которых разрушение материала производится путем механического воздействия на него мелющих тел.
Элементарные акты разрушения в этих машинах осуществляются созданием в частицах предельных напряжений сдвига путем
сдавливания, удара или среза. Кинетическая энергия сообщается корпусу мельницы, от которого она передается свободным шарам, стержням или кускам материала посредством трения, центробежного эффекта и с использованием сил тяжести (враща-v ющиеся шаровые и стержневые мельницы), или инерционных сил (вибрационные и планетарные мельницы) [I].
В машинах другого класса разрушение производится посредством воздействия на материал окружающей среды - жидкости или газа. К этому классу относятся кавитационные мельницы. Разрушение в них осуществляется сжатием материала и последующим резким сбросом давления, создаваемого генерацией в жидкости упругих волн и кавитации [і].
Вращающиеся мельницы с мелющими телами являются наиболее распространенным типом измельчителей [І, 9-ІІ]. Эти мельницы применяются в горнообогатительной, строительной, химической и электротехнической промышленности. Особенности их свойственны и другим типам мельниц (вибрационным и планетарным) .
Математическая модель процесса измельчения
С целью расширения области моделирования процесса измельчения от среднего до тонкого помола стохастическое дифференциальное уравнение (1.2) запишем в наиболее общей форме
Применительно к этому уравнению коэффициенты сноса и диффузии, полученные по формулам [Зб] и [55], имеют вид:
В fio]. при анализе процессов измельчения в широком диапазоне от среднего до тонкого помола отмечалось изменение механизма разрушения частиц. Действительно, мелящее тело, например, шар, разбивает крупную частицу на большое число мелких частиц. Мелкие же частицы не поддаются такому быстрому измельчению, так как изменение их размера осуществляется, как правило, за счет истирания. Следовательно, можно считать, что интенсивность случайных воздействий будет неравномерна по диапазону изменения размеров частиц. В связи с этим положим, что т.е. интенсивность случайного воздействия пропорциональна размеру частицы.
С другой стороны, в течение процесса измельчения меняется соотношение количества частиц, разрушающихся от удара и от истирания. Поэтому интенсивность случайных воздействий должна отслеживать изменение этого соотношения. Такой характеристикой может служить величина х(t) , подобная среднему значению х (t) . Другими словами, предполагается, что д(х,Ь) пропорциональна некоторой степени і величины X (t) . Следовательно, можно записать, что где о fC ТА тп - параметры.
Заметим , что если среднее значение распределения стремится к своему стационарному значению, то и величина, близкая к этому среднему значению, также стремится к своему стационарному значению Хст . Следовательно, и интенсивность случайных воздействий также стремится к пределу, т.е.
В дальнейшем параметру р в этой формуле не будут приписываться какие-либо определенные значения I, 2 и т.д., как это сделано в [ 6,35,,38]. Это связано с тем, что параметр р зависит от различных факторов, в первую очередь от вида мате - 52 риала, затрат энергии на упругие и пластические деформации и т.д. [12]. А так как эти характеристики материала колеблются в широком диапазоне даже для одного и того же вида материала, то, естественно, и параметр р должен иметь широкий диапазон значений.
class3 . ПРОГРАММНОЕ, ЛИНГВИСТИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ
ОБЕСПЕЧЕНИЯ САПР МППТ class3
Формализация модели предметной области механических процессов порошковой технологии
Основное назначение разрабатываемой системы проектирования заключается в следующем:
I/ определение показателей дисперсности перерабатываемого материала в заданных точках технологических схем различных конфигураций в заданные моменты модельного времени;
2/ обеспечение возможности решения проектных задач с различными моделями, описывающими процессы, протекающие в аппаратах технологических схем;
3/ обеспечение возможности идентификации изучаемых моделей по заданным экспериментальным данным.
Для выполнения поставленных целей в наиболее простой и удобной форме язык проектирования должен представлять пользователям следующие возможности:
- определять модели отдельных аппаратов технологических линий измельчения материалов;
- определять гранулометрический состав исходного продукта, поступающего на вход технологической линии;
- описывать топологию технологической линии, определив входные и выходные струи перерабатываемого материала;
- проводить обработку результатов физических экспериментов;
- сравнивать результаты физических экспериментов и про - іиЗ ектных решений;
- по результатам физических экспериментов уточнять модели отдельных аппаратов;
- осуществлять хранение результатов как физических экспериментов, так и проектных решений.
В результате решения проектных задач, т.е. выполнения программы, составленной на входном языке, пользователь должен иметь возможность получить следующие результаты:
- гранулометрические характеристики перерабатываемого материала в виде таблиц в заданные моменты модельного времени и в заданных точках технологической схемы;
- изменение гранулометрических характеристик продукта во время переходных процессов, возникающих в технологических схемах;
- значения параметров моделей и уравнений, приводящих к соответствию моделей аппарата их физическому прообразу.
Для описания структуры технологической схемы рассмотрим W - множество всех неотрицательных, дважды дифференцируемых функций таких, что для любого weW и для некоторого заданного значения ло 0 выполняется условие.
Обозначим через U некоторое бинарное отношение прямого произведенияW W". По определению [64], система & = (W9\J) называется ориентированным графом. Элементы рлножества W называются вершинами, а пары (Wj,W; ) (wifu/;6 W ), удовлетворяющие бинарному отношению U , - дугами графа G .
Любому элементу we VI поставим в соответствие относи - 104 тельную дифференциальную характеристику гранулометрического состава некоторого дисперсного материала. Такое соответствие правомерно в силу того, что дифференциальные характеристики дисперсных материалов гладкие, неотрицательные, а их относительность обеспечивается удовлетворением условию (3.1).
Элемент U бинарного отношения V является оператором, отображающим множество W в себя. Математическая модель некоторого аппарата, согласно кинетической теории, также является оператором, отображающим множество гранулометрических дифференциальных характеристик в себя. Следовательно, каждому элементу и бинарного отношения V можно поставить в соответствие некоторую математическую модель аппарата переработки дисперсных материалов.
Таким образом, топология технологической линии отождествляется с графом GS\W,V), С целью иллюстрации этого факта на рис.3.1 изображены графы, соответствующие технологическим схемам, приведенным на рис,1,1,
Последовательное объединение моделей аппаратов в соответствии с графом позволяет построить имитационную модель структуры технологической линии. Рассмотрим некоторые свойства такой модели.
Методика определения параметров модели процесса измельчения
Пусть требуется определить параметры коэффициентов сноса и диффузии модели процесса измельчения некоторого материала в заданном измельчителе. Такая задача возникает при исследовании влияния физико-механических свойств материалов, типов измельчителей и режимов их работы на поведение параметров коэффициентов модельного уравнения (2.8-2.12) и при построении модели конкретного измельчителя для проектирования процессов измельчения материала в различных конфигурациях технологических схем.
Методика решения поставленной задачи заключается в составлении программы на языке проектирования в следующей последовательности :
- ввод в базу данных системы предварительно подготовленных экспериментальных данных по гранулометрическому составу материала в заданные моменты процесса измельчения;
- аппроксимация содержимого классов крупности этих данных для заданных моментов времени;
- модель измельчителя, для которого определяются параметры коэффициентов; гранулометрический состав исходного продукта, поступающего на вход исследуемого измельчителя.
Ниже приводится подробное описание действий по каждому этапу.
I. Данные, подготовленные для ввода в банк системы, должны содержать:
- границы классов, расположенные либо в убывающей, либо в возрастающей последовательности;
- отсчеты времени первого и последующих моментов проведения дисперсного анализа материала (в минутах);
- значения содержимого в каждом классе, полученные в результате дисперсного анализа; эти значения могут быть представлены либо в виде гистограмм, либо в виде возрастающей или убывающей суммарной характеристики.
Кроме того, необходимо знать условия проведения физических экспериментов, такие, например, как среда измельчения (сухая или жидкая), диапазон измельчения, способность материала к агрегированию и др.
