Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующих методов подбора состава электропроводных композитных материалов 10
1.1. Электрические свойства бетона 11
1.1.1 Основные характеристики электропроводного бетона (бетэла) 15
1.1.2 Структура бетэла 17
1.1.3 Электрические свойства заполнителя бетэла 20
1.1.4 Электрические свойства цементного камня 24
1.1.5 Свойства контактной зоны 25
1.2. Анализ существующих методов подбора состава электропроводных композитных материалов 28
1.2.1 Экспериментальные методы 28
1.2.2 Механические модели 29
1.2.3 Математические модели 37
1.3. Существующие методы подбора состава электропроводного бетона 41
Электропроводность двухфазных статистических смесей равна... 42
1.4. Выводы 51
2. Разработка математической модели для исследования электрофизических характеристик электропроводного бетона 53
2.1. Анализ методов расчета электрических полей 54
2.2. Математическое моделирование структуры бетэла методом случайных упаковок 56
2.2.1 Алгоритм моделирования структуры электропроводного бетона .. 58
2.2.2 Результаты моделирования 70
2.3. Математическая модель электрофизических характеристик электропроводного бетона 76
2.3.1 Основы теорий «эффективной среды» и «просачивания» 76
2.3.2. Математическая модель электропроводности композитных материалов 85
2.4. Моделирование электрофизических характеристик электропроводного бетона 105
2.4.1 Погрешность определения подбора состава 112
2.4.2 Результаты моделирования электрофизических характеристик электропроводного бетона 112
2.5. Сопоставление экспериментальных данных с данными, полученными при моделировании 118
2.6. Выводы 121
3. Разработка математических основ дозирования компонентов смеси для получения электропроводного бетона с заданными электрофизическими характеристиками 123
3.1. Выбор математических основ для дозирования компонентов смеси при получения электропроводного бетона с заданными электрофизическими свойствами 123
3.2. Метод проектирования состава электропроводного бетона 127
3.3. Выводы 130
4. Обоснование выбора метода автоматизированного дозирования компонентов смеси для получения электропроводного бетона 132
4.1. Обзор методов дозирования многокомпонентных смесей 132
4.2. Использование метода связанного дозирования для производства электропроводного бетона 132
4.3. Техническая реализация дозирования компонентов электропроводного бетона 140
4.4. Экспериментальная проверка разработанной системы управления связанным многокомпонентным дозированием 149
4.5. Выводы 154
5. Общие выводы по диссертационной работе 162
Литература 164
- Электрические свойства заполнителя бетэла
- Алгоритм моделирования структуры электропроводного бетона
- Выбор математических основ для дозирования компонентов смеси при получения электропроводного бетона с заданными электрофизическими свойствами
- Использование метода связанного дозирования для производства электропроводного бетона
Введение к работе
Потребность в разработке и освоении новых материалов для строительства гражданских и промышленных сооружений координирует направления ведения исследовательских работ во многих областях науки. Качественные изменения в технологии производства бетонных смесей и получения бетонов с заданными свойствами является основным звеном, обеспечивающим прогресс в строительном производстве.
В настоящее время потребности строительного производства требуют оптимизации макроструктур бетонов на основе оптимизации составов бетонных смесей с использованием новых физических принципов и возможностей современной компьютерной техники.
Бетоны относятся к числу сложных конгломератных систем как по составу и качеству сырьевых материалов, микро- и макроструктуре, так и по условиям эксплуатации. Управление качественными показателями бетона относится к трудным технологическим проблемам. К настоящему времени накоплен огромный фактический материал по изучению свойств, методов приготовления, укладки, отвердения бетонной смеси и эксплуатационных характеристик бетонов, различных марок [29, 30, 31, 32, 33, 34, 58, 59, 63, 97, 114, 121, 122, 125, 126, 129, 132, 133, 137, 141, 156]. С учетом перспективности бетона как строительного материала, на протяжении последних нескольких десятков лет, наряду с исследованиями, направленными на улучшение эксплуатационных и технологических свойств бетонов различного назначения, во всех странах широким фронтом ведутся научные исследования по расширению пределов их использования в поисках оптимального решения конструктивных и специальных задач [5, 7, 8, 17, 165, 166, 120].
5 Исследованиям электрических свойств бетона в нашей стране и за
рубежом посвящено достаточно большое количество работ [5, 8, 16, 17, 43, 45,
46, 50, 51, 75, 90, 93, 105, 120, 165, 166]. Подробно рассмотрены
электрофизические свойства составляющих бетонной смеси, приведены
способы их измерения и стабилизации, исходя из условий использования
(электроизолирующие и электропроводные свойства).
В числе бетонов особое место занимают электропроводные бетоны, которые представляют собой композитные материалы на основе цементной связки, способные пропускать электрический ток заданного значения. Электропроводные бетоны применяются для обогрева жилых и производственных помещений, путем пропускания через них электрического тока, в качестве мощных электрических сопротивлений для электростанций, а также могут использоваться для экранирования помещений от проникновения в них электромагнитных излучений или предотвращения распространения электромагнитной волны из помещения.
Предпосылками для выделения бетонов с заданными электрическими свойствами в отдельный класс электротехнических материалов явилась многолетняя работа по изучению возможностей использования не только их конструктивных, но и электрических свойств. Попытки использовать и направленно изменять электрические свойства бетона известны с 30-х годов в нашей стране и во Франции, а позднее - в Англии, Финляндии, Японии и других странах. Однако, они не сопровождались систематическими исследованиями конечных электрических свойств бетона во взаимосвязи с другими свойствами, особенностями состава и технологии. [165, 120, 118]
В настоящее время расчет электрофизических характеристик электропроводного бетона осуществляется полуэмпирическими методами, которые основаны на статистической обработке экспериментальных данных. Это не позволяет использовать полученные зависимости в случае изменения характеристик заполнителя и цементной связки, а требует длительных и дорогостоящих экспериментальных исследований для набора статистики в
каждом конкретном случае. Известные методы моделирования характеристик композитных материалов длительны и трудоемки и основываются в основном на физических моделях, которые не позволяют в полной мере отразить вероятностно-геометрические принципы построения структуры композитных материалов, к которым относится электропроводный бетон, и ее трехмерность [47, 49].
Таким образом, актуальной задачей является разработка метода, позволяющего с достаточной быстротой и точностью проектировать состав электропроводного бетона. Развитие средств аппаратного и программного компьютерного обеспечения позволяет в настоящее время осуществлять полномасштабное моделирование структуры неоднородных систем с использованием ЭВМ.
История математического моделирования свойств композитных материалов с применением вычислительной техники насчитывает уже более 40 лет [47, 48, 49]. На протяжении всего этого времени сложность задач (представительность моделей) определялась возможностями ЭЦВМ и программного обеспечения. Очевидно, что с появлением все более быстродействующих компьютеров и более совершенного программного обеспечения расширяются возможности моделирования.
В настоящей работе развивается новое направление в исследовании различных структурных и электрофизических характеристик композитных материалов - компьютерное материаловедение, т.е. использование компьютеров в комплексе с методами математического моделирования для анализа и расчета состава материалов.
Цель работы. Разработка системы автоматизации технологического процесса приготовления смеси компонентов для производства электропроводного бетона с заданными электрофизическими свойствами, включающей расчет состава бетонной смеси исходя из электрофизических свойств ее компонентов и автоматизацию процесса дозирования, позволяющего минимизировать погрешность выдерживания рецептуры смеси.
7 К защите представляются:
Методика и математическая модель для анализа изменения критической концентрации заполнителя в зависимости от гранулометрического состава с использованием теорий «эффективной среды» и «просачивания».
Математическая модель для изучения влияния электрофизических свойств компонентов электропроводного бетона на электрофизические свойства готового материала.
Методика оперативного определения концентрации заполнителя соответствующей электропроводности и гранулометрического состава для получения электропроводного бетона с заданными значениями объемного сопротивления.
Адаптированное к использованию на производстве, программное обеспечение для определения необходимой объемной концентрации заполнителя электропроводного бетона в зависимости от его гранулометрического состава для обеспечения заданной электропроводности материала.
Комплексная система автоматизации процесса дозирования компонентов электропроводного бетона на основе теории связанного многокомпонентного дозирования.
Методы исследования. В работе использовались экспериментальные и аналитические исследования, а также имитационное моделирование на компьютере с использованием специально разработанной математической модели. Для получения коэффициентов уравнений регрессий при анализе экспериментальных данных применялась интегрированная среда Mathcad 2000 Pro. Для разработки программного обеспечения использовалась среда программирования Borland Delphi, решения по управлению базами данных Paradox и системы генерирования случайных чисел фирмы Microsoft Научная новизна работы заключается в следующем:
- Разработана математическая модель для анализа зависимости изменения
критической концентрации от гранулометрического состава с использованием
8
теорий «эффективной среды», «просачивания» и метода
«противопоставлений»;
Найдена взаимосвязь между критической концентрацией и диапазонами вариаций гранулометрического состава заполнителя;
Предложен метод определения основного критического индекса теории «просачивания» - критической концентрации, позволяющий расширить область применения теории «просачивания» при исследовании двухкомпонентных композитных материалов.
Предложена система автоматизации процесса дозирования компонентов бетонной смеси с использованием метода связанного многокомпонентного дозирования, позволяющая повысить качество получаемого материала.
Практическая значимость работы заключается в разработке аппаратного и программного комплексов, позволяющих автоматизировать процесс оперативного расчета состава электропроводного бетона и уставок весодозирующего оборудования исходя из требований к электропроводности готового материала и электрофизических свойств его компонентов, и оптимизировать процесс дозирования компонентов электропроводного бетона с минимизацией погрешностей на основе метода многокомпонентного связного дозирования.
Реализация результатов работы. Разработанная автоматизированная система и математическая модель подбора состава электропроводного бетона и приготовления бетонной смеси апробированы в РНЦ "Курчатовский институт".
Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 42 семинаре Российской академии наук (отделение ИВТА) «Измерения, испытания и автоматизация в строительстве в условиях быстрого развития микроэлектроники и компьютерной техники» 23 и 24 марта 2003 г.
Разработанная автоматизированная система подбора
гранулометрического состава композитных материалов используется в
9 «Институте контроля неразрушающих материалов» Фраунгоферского общества (Германия).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 4 научных труда.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех
Электрические свойства заполнителя бетэла
Важнейшей особенностью бетэла является наличие в нем электрохимически активного компонента - углерода. В композитном материале с углеграфитовым наполнителем электропроводность осуществляется непрерывными проводящими цепочками, в которых расстояние между частицами не превышает (10-г20)-10"10м.
В качестве электропроводящей добавки в электропроводных бетонах используются углеродосодержащие материалы [75, 165].
Так как проводящая фаза при эксплуатации бетэловых конструкций (нагревательных элементов) подвергается многократным нагревам, наилучшим образом подходят для данных целей углеродосодержащие материалы с температурной обработкой выше 1000С, как обладающие стабильностью электрического сопротивления и стойкостью к температурам до 450С. Одним из таких материалов является кокс пековый электродный (поликристаллический углерод), продукт высокотемпературной (при 1300С) обработки коксующихся углей. (ГОСТ 3213-58).
Используемый в бетэле заполнитель представляет собой полидисперсный порошок с размером частиц от 10"1 до 10"4 см и имеет ру = 3-Ю"1 Ом см. Эта величина зависит от давления при прессовании порошка и для реально возможных степеней уплотнения равна (5-г7)10"1Ом см.
В работах Уббелоде А.Р. и Льюиса Ф.А. [145], А.А. Агроскина [23], Б.С. Гальперина [57], С. Морозовского [14, 15] показано, что все разновидности коксующихся углей и природного углерода, подвергшиеся воздействию высоких температур (от 500С до 3000С), имеют общую закономерность изменения удельного объемного сопротивления от температуры обработки (рис. 1.3)
С. Морозовский в своих работах показал, что в зависимости от температуры обработки угли изменяют удельное сопротивление на 11 порядков. Из рис. 1.3 следует, что сырой уголь имеет сопротивление 5х107...108 Ом-см. В диапазоне температурной обработки до 1000С его сопротивление резко падает, а при температурах от 1100С наблюдается область постоянного сопротивления, причем дальнейшее повышение температуры обработки лишь незначительно (на 2 - 3%) изменяет его величину. Температурная обработка начиная с 1100С...1300С является характерной для получения всевозможных электродных масс, доменных коксов и др. [26, 111] Эксперименты показали [14, 15], что многократное повторное нагревание углеродистых материалов до температур меньших, чем температура первичной обработки, не вызывает существенного изменения их электропроводности.
Изучая электрические свойства углерода, ряд авторов [154, 12] показали, что коксующиеся угли при температуре обработки более 1100С становятся полупроводниковыми материалами с электронным характером проводимости. Зависимость концентрации носителей тока n-типа каменноугольных пеков от температуры обработки показана на рис. 1.4.
Таким образом, можно сделать вывод, что электродный коксовый пек является полупроводниковым материалом с электронным характером проводимости и его удельное электрическое сопротивление по данным эксперимента [75] находится в интервале от 5x10" Ом-см до 8x10" Ом-см.
Проведенные исследования [145] по изучению диэлектрической проницаемости углерода показали, что для углей, обработанных при температуре 1000С ...1300С , вариация диэлектрической проницаемости незначительна и составляет 4,8...5,1, в то время, как для антрацита этот параметр варьируется в пределах 4,6...5,6. Следовательно, можно сделать вывод, что диэлектрическая проницаемость заполнителя бетэла является величиной практически постоянной.
Электропроводность и диэлектрические потери в цементном камне зависят как от вида вяжущего вещества, так и от режима его твердения и последующей термической обработки. [165,166]
Стабильная и высокая электропроводность бетэловой композиции, определяемая только количеством токопроводящей фазы в смеси, может быть обеспечена при условии необходимых диэлектрических свойств цементного камня. Его проводимость должна быть на 8-10 порядков ниже, чем у бетэла. Исследование электропроводности клинкерных минералов и их гидратов показало, что она изменяется в довольно широких пределах даже для образцов, прошедших предварительную сушку в вакуум-шкафу при 80С в течение 3 часов.
Цементный камень представляет собой совокупность гидратных новообразований с не успевшими еще вступить в реакцию клинкерными минералами [33]. Полученные данные [165] говорят о том, что минералы портландцементного клинкера обладают весьма нерегулярными кристаллическими решетками с наличием вакансий в узлах и разнообразных ионов в междоузлиях. Действие электрического поля может привести к тому, что при определенных условиях тот или иной ион может стать носителем тока. Таким образом, электропроводность клинкерных минералов можно отнести к ионному типу. Результаты исследований, представленные в [165], показывают, что весь цементный камень в целом обладает ионным характером электропроводности. Кроме того, электропроводность цементного камня связана с наличием влаги, при этом молекулы воды находятся в нем в химически связанном виде, причем количество связанной воды достаточно большое [7]. Обобщая данные, изложенные в [165, 90, 139, 166, 7], можно сделать вывод, что цементный камень обладает ионным характером проводимости и его удельное электрическое сопротивление находится в пределах от 106 Ом-см до 1012 Ом-см в зависимости от различных факторов приготовления и влажности. В соответствии с этим, цементный камень можно отнести к диэлектрикам.
Алгоритм моделирования структуры электропроводного бетона
Основная трудность описания структуры вызвана статистическим характером распределения заполнителя неоднородного материала [49]. Такая система не может быть описана конечным числом стационарных уравнений. Однако принцип эргодичности статистических свойств позволяет проводить статистическую оценку тех или иных физико-структурных параметров путем проведения статистически достаточного количества опытов над стационарной системой. Это означает, что можно выбрать конечную математическую модель структуры композиций, на ней исследовать и рассчитать те или иные физико-структурные параметры и, считая их случайными для данной конечной модели, вычислить статистические оценки их путем многократного моделирования (розыгрыша) конечных моделей. Описанный метод исследования носит название метода статистических испытаний или метода Монте-Карло, использованного с высокой достоверностью для ряда важных задач теоретической и экспериментальной физики [134, 134].
В конечной математической модели структуры представительный объем статистических композиций должен быть ограничен во всех измерениях. И хотя элементы структуры распределены в этом объеме случайным образом, положение каждого конкретного элемента в данном конкретном объеме вполне определенно, что полностью задается координатами данного элемента в выбранной системе, причем количество координат соответствует форме элементов структуры. Чем сложнее форма элементов композиций в математической модели, тем больше нужно задавать координат для определения их положения. Так, система эллипсов определяет положение каждого элемента уже девятью обобщенными координатами, система тетраэдров - двенадцатью и т. д. Элементы структуры, не имеющие формы, т. е. типа заполняющей среды, не имеют обобщенных координат. Наиболее просты, экономичны и эффективны модели структур, где элементы представляются сферическими по форме [49]. Представление структуры электропроводного бетона в виде модели с упакованными сферами наиболее удобно для математического моделирования (для построения алгоритма моделирующей программы) [49, 48]. Во-первых, такая упаковка требует наименьшего числа обобщенных координат, что позволяет увеличить представительный объем (на каждую сферу - три координаты центра в некотором замкнутом пространстве и ее радиус); во-вторых, алгоритмы программ достаточно простые и быстродействующие, что значительно экономит машинное время. Расчет матрицы обобщенных координат, а также исследования физико-структурных параметров для этого случая будут наиболее простыми и экономичными, а с точки зрения дальнейшего использования полученной упаковки при анализе электрофизических свойств электропроводного бетона можно отметить, что от формы частиц мало зависят такие свойства композитных многокомпонентных материалов, как диэлектрические, электропроводящие, магнитные, радиационные и т.д. [48].
Для построения модели электропроводный бетон будем рассматривать как однородный цементный диэлектрик с расположенными в нем однородными включениями. Такой подход обоснован, поскольку различие в электрофизических свойствах компонентов бетэла настолько велико, что в сравнении с ним неоднородность самих компонентов (цемента и углерода) незначительна [165]. В этом случае стохастический характер распределения проводящей фазы в бетэле обосновывает изучение его свойств с позиции теории вероятностей и математической статистики [49]. Вероятностно-геометрическая концепция позволяет моделировать образование структуры материала случайным заполнением объема частицами.
Для каждой из рассматриваемых фаз математическая модель имеет один и тот же вид - это случайная упаковка системы распределенных по размерам сфер в некотором пространстве с заданной плотностью заполнения.
Вопросы моделирования структуры композитных материалов и методы получения упаковок с разной плотностью заполнения и различными конфигурациями пакуемых элементов и их алгоритмы подробно рассмотрены в работах В.А. Воробьева, В.К. Киврана, В.Е. Голованова [48, 49]. Авторы отмечают, что реализовать эти методы можно только с использованием быстродействующих ЭВМ.
В результате реализации на компьютере алгоритмов моделирования процесса формирования структуры получена материализованная абстракция в виде реально существующей в памяти компьютера матрицы обобщенных координат, представляющей собой информацию о координатах упакованных элементов и их геометрических характеристиках. Этот результат моделирования можно назвать цифровой моделью структуры электропроводного бетона и следует рассматривать в качестве объекта дальнейших исследований электрофизических свойств с использованием других вычислительных алгоритмов и программ.
Рассмотрим построение случайных упаковок как результат случайного заполнения объема конечных размеров. Процесс формирования заполнения считается протекающим во времени, а каждому элементу упаковки приписывается определенный момент времени. В этом случае процесс упаковки осуществляется по следующему алгоритму: случайным образом разыгрываются положение частицы в заданном объеме и ее геометрические характеристики. Если частица не пересекается с границами объема и с частицами, упакованными ранее, она считается упакованной, в противном случае попытка отвергается.
Упаковываются частицы в форме сферы, которые описываются тремя координатами центра в некотором замкнутом пространстве и ее радиусом. Для удобства моделирования упаковка сфер совершается в некий гипотетический контейнер конечного объема. Предполагается наличие контейнера кубической формы, ограниченного плоскостями, параллельными осям декартовых координат. Этот куб удобно разместить в первом октанте с одной из его вершин в начале координат. Кроме того, для математической модели радиус сфер удобно измерять в долях длины ребра куба, тогда эту длину можно принять за единицу, чем достигается универсальность математической модели, т.к. все структурные характеристики носят в этом случае относительный к размерам упакованных элементов характер.
Обязательным условием построения математической модели случайного заполнения является розыгрыш координат пакуемых сфер с равномерным распределением по объему пакуемого контейнера. Для этой цели целесообразно использовать специальные программы генерирования случайных чисел с заданным законом распределения.
Отметим некоторые особенности моделирования случайных упаковок. При паковании каждой очередной сферы положение в пространстве ранее упакованных сфер принимается фиксированным.
Выбор математических основ для дозирования компонентов смеси при получения электропроводного бетона с заданными электрофизическими свойствами
Разработанная модель и реализация ее на компьютере позволяют осуществлять проектирование состава электропроводного бетона с использованием компьютерной программы. Это значительно экономит время, затрачиваемое на процесс, и по точности превышает методы, которые до сих пор используются на производстве.
Рассматривается частная задача определения количества проводящей фазы исходной электропроводности для получения материала с заданной электропроводностью. Здесь возможны несколько вариантов реализации: это непосредственно программное решение, подразумевающее наличие компьютерного комплекса на производстве (быстродействие, объем памяти, вывод результатов расчета); решение в виде таблиц или в виде номограмм; исполнение с использованием ПЗУ (программируемого запоминающего устройства) в качестве устройства, обрабатывающего исходные данные и, по сути, дублирующего данные номограмм и служащего задатчиком уставок дозаторов. Изначально и до сих пор на бетонных заводах подбор состава любого вида бетона осуществляется с использованием графиков и таблиц, полученных по результатам экспериментов [30, 33, 58, 63, 122, 126, 129, 132, 168]. Невысокий уровень сложности и удобство оперирования, высокая скорость и точность работы компьютерной техники и современного программного обеспечения во многом предопределили выбор реализации метода, предложенный в данной работе.
Для моделирования структуры бетонных смесей и получения зависимости общей электропроводности материала от объемной концентрации электропроводящей фракции, а также для расчета состава бетонной смеси при производстве бетона с заданными электрофизическими свойствами, создана компьютерная программа «CritConc», построенная на объектно-ориентированном методе программирования. Для создания такого программного продукта были использованы методы хранения и обработки информации посредством баз данных с индексируемыми полями, методы генерирования случайных величин, исключающие возможность повторения последовательности случайных чисел, построенные на механизме «Глобальных Идентификаторов», а также оптимизированные математические алгоритмы, разработанные фирмой «Borland». Наряду с перечисленными преимуществами время работы программы в полном цикле моделирования составляет 20...40 минут в зависимости от сложности задачи. Кроме того, интерфейс программы нагляден и интуитивно понятен, а наличие интерактивного помощника и справочной системы позволит значительно облегчить и ускорить процесс обучения работе с программой.
В описываемой компьютерной программе «CritConc» были применены самые последние подходы к компьютерному моделированию. В их число входят: Процедуры генерирования случайных величин, позволяющие максимально точно воспроизвести заданных закон распределения. В основу данного процесса положено программное решение корпорации «MicroSoft», именуемое «GuID», что означает «Глобальные идентификаторы». Суть решения «GuID» состоит в том, что в процессе генерирования случайных чисел по заданному закону распределения, алгоритм использует такие входящие данные как текущая дата, текущее время, размер свободного пространства на жестком диске компьютера, размер свободной оперативной памяти компьютера, время и дата запуска приложения, версия операционной системы, размер файла обеспечения виртуальной памяти компьютера и т.д.. Такой подход позволяет с большой вероятностью избежать факта появления повторяющихся последовательностей случайных чисел или их фрагментов, что искажает результаты моделирования. В некоторых компьютерных реализациях математического моделирования предыдущих версий проблема «псевдослучайных» чисел не была решена. 2. Механизмы статистического хранения данных и результатов моделирования, позволяющие сохранять, восстанавливать, объединять и сравнивать получаемую в ходе экспериментов информацию. По сравнению с ранее используемыми подходами в этой области, описываемые механизмы обладают повышенной производительностью и надежностью, что достигается путем использования индексируемых баз данных типа «Paradox». [172] 3. Механизмы графического отображения и анализа результатов моделирования, позволяющие представить полученную информацию в виде графиков и гистограмм с автоматическим масштабированием. Кроме того, современные подходы к программированию позволили максимально сократить время работы программ, а также упростить ее интерфейс. К преимуществам описываемого программного продукта следует отнести также возможность работы под управлением операционных системах Microsoft Windows 95, Microsoft Windows 98, Microsoft Windows Me, Microsoft Windows Xp, Microsoft Windows NT 40, Microsoft Windows 2000 и совместимыми с указанными. Подробное описание функционала описываемой программы содержится в приложении 1. В приложении 2 представлен листинг исполняемого модуля программы. На настоящий момент программа «CritConc» является одной из наиболее перспективной, быстродействующей, удобной и информативной реализацией компьютерной модели физических свойств композиционного материала. Однако стремительный прогресс в области компьютерного программного моделирования и аппаратной части очевидно с неизбежностью приведёт к тому, что уже в ближайшее время появятся новые методы и приемы программирования, новые технологии хранения и обработки данных, новые механизмы получения случайных величин, что даст почву для дальнейшей оптимизации и ускорения алгоритмов, увеличения надежности хранения результатов моделирования и расширения возможностей по их анализу. Кроме того, подходы к компьютерному моделированию, используемые в описываемом программном обеспечении, могут быть также применены в других областях науки, техники и промышленности.
Можно считать целесообразным оформление результатов моделирования применительно к решаемой задаче получения материала с заданной величиной электропроводности в виде подпрограммы общего программного комплекса моделирования. Таким образом значительно повышается скорость и точность работы, а также достигается целостность всего процесса от создания модели до получения конечного результата. Использование компьютерных программ -простой, высоко скоростной и надежный способ проектирования состава материала с заданными свойствами.
Использование метода связанного дозирования для производства электропроводного бетона
Многокомпонентное дозирование является основой технологического процесса производства бетонных изделий. Комплексная оценка эффективности ведения технологического процесса приготовления многокомпонентных смесей в решающей степени зависит от правильного выбора показателей, отражающих различные стороны эффективности управления процессами многокомпонентного дозирования. В зависимости от марки выпускаемого бетона и его назначения, качество работы бетоносмесительных отделений можно оценивать различными критериями. При производстве электропроводного бетона, основным показателем является электропроводность получаемого материала, косвенным - точность поддержания заданных соотношений между массами дозируемых компонентов бетонной смеси.
Во многих случаях, при изготовлении данных изделий как паритетный показатель эффективности процесса многокомпонентного дозирования, может выступать показатель качества стабилизации результирующей массы бетонной смесив последовательных циклах процессов многокомпонентного дозирования.
В настоящее время существует широко распространенная ошибка, заключающаяся в том, что проблема повышения качества процессов многокомпонентного дозирования в основном связана с вопросами повышения точности дозирования компонентов, входящих в рецептуру смеси. Точное дозирование компонентов способно решить эту проблему в зависимости от устанавливаемых допусков на погрешности дозирования компонентов. Однако, как показывает практика, предел повышения точности дозирования компонентов ограничивается не теоретическими возможностями применяемых методов дозирования и средств автономной стабилизации дозаторов дискретного действия, а механическими свойствами самих дозируемых материалов.
Так, при дозировании сыпучих материалов дозаторами дискретного действия, доминирующую роль в процессе формирования погрешностей играют, с одной стороны, остаточная масса столба материала, образуемая после прекращения подачи компонента; с другой стороны - динамические составляющие погрешностей, возникающие в результате воздействия этой массы на механизмы весоприемного и весоизмерительного устройства дозатора.
Наличие таких неустранимых погрешностей не позволяет решить проблему повышения качества многокомпонентного дозирования за счет одних только средств автономной стабилизации дозаторов дискретного действия и требуют дополнительных видов управления.
Необходимо четко разделить смысл понятий, имеющих принципиальное значение при формулировки основных идей теории управления процессами многокомпонентного дозирования. Это понятие минимизации погрешностей дискретного дозирования и понятие минимизации степени влияния погрешностей дозирования на показатели качества процессов многокомпонентного дозирования.
Проблемы минимизации случайных составляющих погрешностей дискретного дозирования компонентов смеси непосредственно связана с решением таких вопросов, как конструктивное усовершенствование дозаторов, изыскание новых принципов дозирования и т.п. Она решаться на основе применения специальных схем оптимального управления задания дозы в зависимости от динамического процесса поступления дозируемого компонента в весоприемное устройство дозатора дискретного действия, применения систем регулирования с гибкой обратной связью, разбиением заданной дозы компонента на поддозы и т.п.
В свою очередь, проблема минимизации степени влияния погрешностей дискретного дозирования компонентов на показатели качества непосредственно связана с изысканием новых принципов управления процессами многокомпонентного дозирования, применение которых независимо от качества используемых средств автономной стабилизации позволило бы существенно снизить степень влияния реально существующих погрешностей дискретного дозирования на показатели качества выпускаемой продукции. [170] Погрешность дозирования компонентов электропроводного бетона, как показано на рис. 2.16, приводит к значительному изменению электропроводных свойств, водоцементного отношения и удобоукладываемости бетонной смеси.
Для поддержания таких важнейших характеристик бетонной смеси, как электропроводность, водоцементное отношение и жесткости в пределах допусков, установленных нормативными документами, дозирование составляющих бетоносмеси должно производиться с относительной погрешностью - 1% для электропроводящей фазы, - 2% для цемента и воды и -3% для заполнителей ( гравия, песка) [170]. Помимо сказанного, существенным резервом экономии расхода цемента и других фракций, является повышение однородности бетона, железобетонных конструкций и изделий, в значительной степени обуславливаемое точностью соблюдения рецептуры бетонной смеси, т.е. качеством работы дозирующих устройств бетоносмесительных узлов и установок.
Эффект повышения точности взвешивания без снижения производительности оборудования может быть обеспечен путем автоматизации процесса дозирования компонентов бетонной снеси. Создание систем автоматического управления дозированием позволяет гарантировать качество выпускаемых ЖБИ (железобетонных изделий).
Основным направлением, позволяющим получить высокие результаты по качеству дозирования, являются методы управления точностью дозирования, основанные на управлении моментами законов распределения погрешностей дозирования. Применение этих методов позволяет получить существенное улучшение точности дозирования и во многих случаях не требует конструктивного вмешательства в выпускаемые в настоящее время дозаторы порционного действия.
