Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ методик проектирования составов бетонных смесей и оценка качества бетона 11
1.1 Классификация бетонов и основные требования, предъявляемые к ним 11
1.2 Методики проектирования составов бетонных смесей 15
1.3 Методика планирования эксперимента для испытаний опытных образцов бетона 20
1.4 Выбор направления исследования 23
1.5 Выводы 26
ГЛАВА 2 Разработка системы автоматизированного проектирования составов бетонных смесей и планирования испытаний с использованием четких математических моделей 27
2.1 Разработка алгоритма, программы и программно-технического комплекса автоматизированного проектирования составов бетонных смесей 27
2.2 Разработка алгоритма, программы и программно-технического комплекса автоматизированного планирования испытаний 37
2.3 Экспериментальные исследования процесса автоматизированного проектирования составов бетонных смесей 47
2.4 Экспериментальные исследования процесса автоматизированного планирования испытаний 54
2.5 Выводы 61
ГЛАВА 3. Формирование нового подхода к созданию системы автоматизированного проектирования составов бетонных смесей 64
3.1 Неопределенности и нечеткости в традиционном процессе проектирования составов бетонных смесей 64
3.2 Новый подход к созданию системы автоматизированного проектирования составов бетонных смесей 66
3.3. Основные понятия и терминология нечетких систем, используемых в новом подходе. 70
3.4 Разработка структуры системы автоматизированного проектирования составов бетонных смесей на основе нового подхода 75
3.5 Выводы 84
ГЛАВА 4 Имитационное моделирование системы автоматизированного проектирования составов бетонных смесей с использованием нечетких математических моделей 85
4.1 Разработка алгоритма и нечеткой математической модели процесса автоматизированного проектирования составов бетонных смесей 85
4.2 Разработка алгоритма и нечеткой математической модели процесса прогнозирования качества бетона 86
4.3 Разработка общей имитационной модели системы автоматизированного проектирования составов бетонных смесей 87
4.4 Экспериментальные исследования параметров систем автоматизированного проектирования на общей имитационной модели 94
4.5 Выводы 99
Заключение 102
Список использованных источников 105
Приложения 115
Приложение а
Приложение Б
- Классификация бетонов и основные требования, предъявляемые к ним
- Разработка алгоритма, программы и программно-технического комплекса автоматизированного проектирования составов бетонных смесей
- Новый подход к созданию системы автоматизированного проектирования составов бетонных смесей
- Разработка общей имитационной модели системы автоматизированного проектирования составов бетонных смесей
Введение к работе
В современном строительстве не обойтись без бетонных смесей, их используют при возведении широкого диапазона искусственных сооружений от фундаментов зданий до мостов высокой сложности. Основными критериями, предъявляемыми к производству бетона, являются минимально возможные сроки и качество исполнения [ 1... 3]. Время выполнения заказа на производство бетона зависит от уровня технологического процесса, персонала и оборудования. На качество продукта влияют вышеуказанные факторы плюс качество используемых заполнителей (цемента, песка, щебня и химических добавок) [4, 5].
Потребность в бетоне с различными качественными параметрами с течением времени не уменьшается, однако к его качеству предъявляются все более и более жесткие требования. Задача по удовлетворению выпуска бетона в увеличивающихся объемах в рамках одного бетонного завода может быть решена двумя путями: увеличением производственных площадей, расширением и распараллеливанием технологических процессов; повышением производительности существующих процессов и обслуживающего их оборудования. При этом задача повышения качества бетона и в том, и в другом случае остаются главным критерием всего производства в целом [6.,.11].
Повышение производительности приготовления бетонных смесей в рамках одного завода связано с автоматизацией измерения параметров исходного сырья (компонентов), устройств, с автоматизацией расчета рецептур, с автоматизацией подачи сырья и формирования смеси, с автоматизацией тракта выдачи готового продукта и его качественных показателей.
Работы по созданию автоматизированных систем управления процессами приготовления бетонных смесей начинались в 1980 году в рамках целевой программы ОЦ026 Госстроя СССР и выполнялись параллельно несколькими коллективами разработчиков в Москве, Минске, Киеве и Баку. Несколько
позже аналогичные работы велись в рамках различных региональных программ в Харькове, Одессе, Риге и других городах. В 1986 году разработки были продолжены в рамках одного из разделов комплексной программы научно-технического прогресса стран-членов СЭВ под эгидой Госкомитета по науке и технике СССР и при участии СССР, ГДР, НРБ и ЧССР. Практически на протяжении всего этого периода времени ряд иностранных фирм (Lohia, Stetter и др.) предпринимал энергичные усилия по выходу на рынок с аналогичными системами управления [12]. По времени технологический процесс приготовления бетонной смеси, включая подбор состава и лабораторные испытания, занимает около 30 суток [3, 13,14]. Как отмечается в работах д.т.н. проф. Малининой Л.А., проф. Михайлова В.В. (НИИЖБ Госстроя), а также профессоров: Миронова С.А., Френкеля И.М.(НИИЖБ Госстроя), Баженова Ю.М. и Горчакова Г.И. (МИСИ) одной из самых важных операций технологического процесса производства железобетонных конструкций является подбор (проектирование) состава бетонной смеси. В результате проектирования состава бетонной смеси должно быть определено соотношение между компонентами, при котором будет гарантирована прочность бетона в конструкции, с учетом технологии ее изготовления, необходимая подвижность бетонной смеси и экономичность бетона (минимальный расход цемента).
Проектирование состава бетона включает: назначение требований к бетону; выбор материалов и получение данных, характеризующих их свойства; определение предварительного состава бетона; корректировку состава в пробных замесах. При корректировке проводят предварительные испытания для получения уточненных зависимостей свойств бетона и бетонной смеси, приготовленных на данных компонентах и оборудовании по принятой технологии, от водоцементного отношения и других факторов. При проведении этих испытаний используются математические методы факторного планирования эксперимента и обработки его результатов [13]. Основная сложность автоматизации проектирования состава бетонной смеси заключается
7 в том, что характеристики компонентов, бетонной смеси и бетона,
соответствующие удовлетворительному качеству, имеют нечеткий характер, то
есть находятся в определенных диапазонах значений. Как следствие
установление связей между параметрами готового изделия (бетона) или
прогнозирование его качества представляет собой сложную проблему, решение
которой лежит в сфере новых подходов, базирующихся на современных
информационных, программных и компьютерных технологиях [ 108... 110].
Объектом исследования является технологический процесс изготовления бетонной смеси для тяжелых бетонов.
Предметом исследования является процесс автоматизированного проектирования составов бетонных смесей.
Целью диссертационной работы является снижение времени и трудоемкости при проектировании составов бетонных смесей и снижение брака в процессе проектирования при заданном качестве бетона.
Исходя из этой цели, в работе поставлены следующие основные задачи:
Провести анализ систем автоматизации планирования эксперимента для проектирования состава бетонной смеси (БС) и систем подбора состава бетонных смесей с учетом использования в их составе химических добавок,
Разработать на основе четких математических моделей (ММ) программу и программно-технический комплекс (ПТК) процесса планирования эксперимента по испытанию образцов состава БС.
Разработать систему автоматизированного проектирования (САПР) составов бетонных смесей с использованием четких ММ и провести ее испытания.
Разработать алгоритм и ММ прогнозирования качества бетона в условиях нечеткого представления параметров компонентов, бетонной смеси и конечного продукта - бетона.
Сформулировать подход к САПР составов БС с учетом использования нечеткой ММ прогнозирования качества бетона.
Разработать имитационную модель САПР БС на базе нечетких ММ.
8 Провести экспериментальные исследования параметров компонентов БС на имитационной модели.
Методы и средства исследований. При решении диссертационных задач
были использованы методы математической статистики, теории нечетких
множеств, планирования эксперимента, факторного анализа.
Экспериментальные исследования проведены на производственной базе ОАО «Мостострой-66» (г.Орел). Численная реализация математических моделей и оптимизационных процедур осуществлялась на ЭВМ с помощью разработанного пакета прикладных программ. Обработка экспериментальных данных осуществлялась на ЭВМ с использованием специализированных программ.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Предложен новый подход к автоматизированному проектированию составов бетонных смесей, основанный на представлении параметров компонентов (включая химические добавки) БС, технологического процесса и готового изделия в виде нечетких множеств и их преобразованиях.
В рамках вышеуказанного подхода разработана математическая модель автоматизированного проектирования состава бетонной смеси в условиях нечеткого представления данных (НМ1).
В рамках сформулированного подхода разработана нечеткая математическая модель (НМ2) прогнозирования качества бетона.
Разработана обобщенная компьютерная имитационная модель проектирования составов бетонных смесей на основе НМ1 и НМ2.
Разработаны программы и программно-технический комплекс, автоматизирующие процесс проектирования составов БС, базирующиеся на существующей методике проектирования составов тяжелых бетонов с учетом использования химических добавок (четкие модели).
Разработаны программа и программно-технический комплекс, автоматизирующие процесс планирования испытаний образцов бетона с
последующей обработкой экспериментальных данных, базирующиеся на
основе теории многофакторного эксперимента. Практическую ценность работы составляют:
Алгоритмы, программы и компьютерная имитационная модель (ИМ) автоматизированного проектирования составов бетонных смесей в условиях нечеткого представления параметров компонентов бетонной смеси и бетона.
ПТК, основанный на использовании существующей методики проектирования составов тяжелых бетонов с учетом использования химических добавок (свидетельство об официальной регистрации программы №2002611417).
Ш'К, реализующий существующие алгоритмы планирования испытаний образцов бетона.
Устройство для определения подвижности бетонной смеси, защищенное в виде полезной модели (авторское свидетельство RU 21278).
Положения, выносимые на защиту:
Подход к автоматизированному проектированию составов бетонных смесей, основанный на представлении параметров компонентов (включая химические добавки) БС, технологического процесса и готового изделия в виде нечетких множеств и их преобразованиях.
Математическая модель автоматизированного проектирования состава бетонной смеси в условиях нечеткого представления данных (НМ1).
Нечеткая математическая модель (НМ2) прогнозирования качества бетона.
Компьютерная имитационная модель проектирования составов бетонных смесей на основе НМ1 и НМ2.
Программы и программно-технический комплекс, автоматизирующие процесс проектирования составов БС с применением химических добавок и процесс планирования испытаний образцов бетона с последующей обработкой экспериментальных данных.
10 На основе приведенных в диссертационной работе исследований на базе
предприятия ОАО «Мостострой-66», г.Орёл в 2001 году было внедрено
устройство для определения подвижности бетонной смеси (Приложение А), в
2002 году была внедрена программа для ЭВМ и ПТК по подбору состава
тяжелого бетона (Приложение Б), в 2003 году принято решение об
использовании методики прогнозирования качества бетонной смеси и
реализованной на ее основе программе для ЭВМ.
По результатам различных разделов диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ в журналах и сборниках. Основные положения диссертационной работы докладывались на международной конференция «Энерго- и ресурсосбережение - XXI век» (ОрелГТУ, июнь-июль 2001г., г.Орел), на 6-ой Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерений физических величин» (25-26 сентября 2002г., г.Н.-Новгород, Межрегиональное Верхне-Волжское отделение Академии технологических наук РФ), на региональной научно-технической конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (23-25 апреля 2002г., г.Воронеж, Воронежский государственный технический университет), на международной конференции «Технологические комплексы, оборудование предприятий строительных материалов и стройиндустрии» (август 2003г., г.Белгород, БГТУ им. В.Г.Шухова), на международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образовании, производстве» (ИНТОП) (11-12 мая 2004г, г.Орел, ОрелГТУ), на ежегодных научных конференциях и семинарах ОрелГТУ.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников, включающего ПО наименований, и приложений. Объем диссертации 114 страниц машинописного текста, 27 рисунков, 9 таблиц, 11 приложений на 34 страницах.
Классификация бетонов и основные требования, предъявляемые к ним
Бетоны являются в настоящее время главнейшими строительными материалами. Бетоном называют искусственные каменные материалы, получаемые в результате затвердевания тщательно перемешанной и уплотненной смеси из вяжущего вещества, воды, мелкого и крупного заполнителей, взятых в определенных пропорциях. До затвердевания эта смесь называется бетонной смесью. Цемент и вода являются активными составляющими бетона: в результате реакции между ними происходит образование цементного камня, скрепляющего зерна заполнителей в единый монолит. Между заполнителями и цементом обычно не происходит химического взаимодействия, поэтому часто заполнители называют инертными материалами. Однако заполнители оказывают существенное влияние на структуру и свойства бетона. Инертные материалы, химические добавки (если они используются) и вода составляют около 85-90%, а цемент - всего 10-15% массы бетона. Химические добавки вводятся для регулирования свойств бетона и бетонной смеси. Они могут ускорять или замедлять схватывание бетонной смеси, делают ее более пластичной и удобоукладываемой, ускоряют твердение бетона, повышают его прочность и морозостойкость, а также при необходимости изменять в требуемом направлении и другие свойства бетона [4, 5, 10, 15...20]. Бетоны и ценны тем, что им можно придавать самые разнообразные свойства, изменять в широких пределах их прочность, объемную массу и другие свойства.
По объемной массе бетоны классифицируют как [2, 10]: особо тяжелые (объемная масса более 2500 кг/м ); тяжелые (объемная масса от 1800 до 2500 кг/м ); легкие (объемная масса от 500 до 1800 кг/м ); особо легкие (объемная масса менее 500 кг/м3). Особо тяжелые бетоны приготавливают на тяжелых заполнителях, таких как стальные опилки или стружки (сталебетон), железные руды (лимонитовый или магнетитовыЙ бетон) или барит (баритовый бетон). Наиболее широкое применение в строительстве получили тяжелые бетоны с объемной массой 2100-2500 кг/м". Их приготавливают на плотных заполнителях из горных пород (гранит, известняк, диабаз и др.). Облегченный бетон имеет объемную массу 1800-2000 кг/м3. Его получают, применяя щебень из горных пород с объемной массой 1600-1900 кг/м3, или изготавливают бетон без песка (цементное тесто и крупный заполнитель), который называют крупнопористым. Легкие бетоны получают, применяя пористые заполнители (керамзит, аглопорит, вспученный шлак, пемза, туф и др.). Применение легких бетонов уменьшает массу строительных конструкций, удешевляет строительство. К особо легким бетонам относятся ячеистые бетоны, которые получают, вспучивая смесь вяжущего (цемент) с тонкомолотой добавкой и водой с помощью специальных способов (газобетон, пенобетон), и крупнозернистый бетон на легких заполнителях. В ячеистых бетонах заполнителем по существу является воздух, находящийся в искусственно созданных ячейках. В зависимости от применения различают: бетон для железобетонных конструкций (фундаменты, колонны, балки, плиты, мостовые и другие типы конструкций); гидротехнический бетон для плотин, шлюзов, облицовки каналов, водопроводно-канализационных сооружений и др.; бетон для ограждающих конструкций (легкий бетон для стен зданий); бетон для полов, тротуаров, дорожных и аэродромных покрытий; бетоны специального назначения (жароупорный, кислотостойкий, для радиационной защиты и т.п.). Рассмотрим требования, предъявляемые к различным видам бетонов. Бетоны для железобетонных конструкций должны соответствовать заданной (требуемой) прочности при сжатии (R6). Для конструкций, находящихся на открытом воздухе важна также морозостойкость (F), т.е. способность материала к воздействию низких температур в зимних условиях. Бетоны для гидротехнических сооружений должны обладать высокой плотностью, водонепроницаемостью (W), морозостойкостью, малой усадкой, стойкостью по отношению к действию минерализованных вод, незначительным выделением тепла при твердении и соответствовать также требуемой прочности [3, 21...23]. Бетоны для стен отапливаемых зданий и легких перекрытий должны соответствовать требуемой прочности, объемной массе и теплопроводности. Бетоны для полов должны обладать малой истираемостью и достаточной прочностью при изгибе, а бетоны для дорожных и аэродромных покрытий еще и соответствующей морозостойкостью. Общие требования ко всем видам бетонов и бетонных смесей таковы [21... 24]: до затвердевания бетонные смеси должны легко перемешиваться, транспортироваться и укладываться (обладать подвижностью и удобоукладываемостью), не расслаиваться; бетон должен иметь определенную скорость твердения в соответствии с заданными сроками распалубки и ввода конструкции или сооружения в эксплуатацию; расход цемента и стоимость бетона должны быть минимальными. Получить бетон, удовлетворяющий всем поставленным требованиям, можно при надлежащем приготовлении, укладке и уплотнении бетонной смеси, а также при правильном выдерживании бетона в начальный период его твердения. Особенностью производства бетона в настоящее время является то, что о качестве материала можно судить заранее лишь приближенно.
Разработка алгоритма, программы и программно-технического комплекса автоматизированного проектирования составов бетонных смесей
Целью исследования является снижение времени и трудоемкости при проектировании составов бетонных смесей и снижение брака в процессе изготовления при заданном качестве бетона.
На основании рассмотренной классификации бетонов по удельному весу и изученных технологических процессов производства бетона в качестве объекта исследования выбираем технологический процесс производства бетонных смесей для тяжелых бетонов. Тяжелые бетоны имеют наиболее широкое применение в строительных конструкциях и сооружениях, к качеству которых предъявляются высокие требования. Легкие и особо легкие бетоны используются в основном для отделочных работ и неответственных конструкций. Применение особо тяжелых бетонов является узко специфической областью, они не так широко используются в повседневной жизни [2, 16]. Длительность процесса, представленного на рисунке 1.1. в общей сложности составляет 32 дня. Это время складывается из времени на получение характеристик заполнителей, времени проектирования состава БС, времени планирования испытаний, времени изготовления опытных образцов, времени их испытаний (28 суток) с целью определения прочности бетона, как одного из основных показателей его качества, времени на обработку результатов эксперимента [3, 33]. В случае отрицательных результатов эксперимента осуществляется корректировка состава БС, после чего эксперимент повторяется вновь до получения положительных результатов. После чего состав передается в производство, где ему также требуется около 28 суток чтобы набрать прочность, позволяющую использовать его в строительстве. Из вышесказанного следует, что весь процесс занимает длительный промежуток времени (минимум 32 дня на подготовительную стадию и время на производственную стадию) [3, 12, 13]. Рассмотрев технологический процесс производства бетона, можно сделать вывод, что наиболее ответственным участком, на результаты работы которого может оказать влияние человеческий фактор, является этап проектирования состава бетонной смеси. На остальных этапах, таких как измерение параметров компонент смеси, дозирование, измерение параметров смеси влияние человеческого фактора незначительно мало. На этапе ТП производства бетонной смеси - испытания образцов бетона необходимо правильно осуществить планирование самого эксперимента и тут вся ответственность ложится на плечи специалиста строительной лаборатории или технолога. Проектирование состава смеси и планирование испытаний являются наиболее уязвимыми для внедрения ошибок участками технологического процесса производства бетонных смесей, при этом эти этапы являются достаточно трудоемкими. Ошибки при осуществлении расчетов могут привести к появлению брака, а следовательно перерасходу материалов и денежных средств, тем более, что стоимость железобетонных конструкций достаточно высока. Например, стоимость балки пролетного строения длиной 17 м составит 90 тысяч рублей, а стоимость такой конструкции как буронабивная свая длиной 30 м составит около 600 - 700 тысяч рублей [9]. Несложно представить насколько нежелательным для производителя может оказаться брак в таких изделиях, возникший из-за некачественного бетона.
На основании анализа представленных методов проектирования составов бетона можно сделать вывод, что в этом направлении предметом исследования является расчетно-экспериментальный (технологический) метод проектирования состава. Данный метод по сравнению со всеми рассмотренными в этой главе методами является наиболее точным и краткосрочным. Это связано с тем, что при его применении специалист имеет точные сведения о параметрах заполнителей смеси и следовательно вероятность корректировки спроектированного состава сводится к минимуму, хотя она и возможна. Возможность эта лежит в области человеческих и технологических ошибок. Первые могут возникнуть в результате невнимательности или ошибки при расчетах или же при управлении дозирующим оборудованием, а вторые возникают из-за вмешательства в техпроцесс неучтенных факторов, таких как температура воздуха и т.п [3]. Улучшить ситуацию можно, сократив влияние человеческого фактора на технологический процесс приготовления бетонной смеси. Наиболее ответственным участком подготовительной фазы и всего технологического процесса является проектирование состава бетонной смеси. Следовательно, в качестве объекта исследования выбран этап проектирования состава бетонной смеси. Именно на этом этапе закладывается качество конечного продукта бетона и от того насколько правильно и грамотно осуществится проектирование, зависит качество бетонных конструкций, их долговечность, а следовательно и безопасность людей. Следовательно, автоматизация процесса проектирования состава бетонной смеси позволит исключить ошибки при расчете, снизить вероятность осуществления корректировки расчетов и сократить время всего проектирования в целом. Достижение основной цели (сокращение времени, трудоемкости и снижение брака при производстве) лежит в области автоматизации расчетов при проектировании, планирования эксперимента и попытки прогнозирования качества бетона на стадии проектирования состава бетонной смеси. Для сокращения сроков всего технологического процесса приготовления бетонной смеси необходимо автоматизировать расчетные операции при проектировании состава бетона, так как в настоящее время эти операции выполняются вручную специалистами строительных организаций. Это позволит избежать ненужных ошибок и сократить сроки расчетов. Другими словами для достижения поставленной цели поставим следующие задачи: - Провести анализ систем автоматизации планирования эксперимента для проектирования состава бетонной смеси (БС) и систем подбора состава бетонных смесей с учетом использования в их составе химических добавок. - Разработать программу и ПТК процесса планирования эксперимента по испытанию образцов состава БС.
Новый подход к созданию системы автоматизированного проектирования составов бетонных смесей
В процессе проектирования составов бетонных смесей имеется большое число неопределенностей и нечеткостей во входных данных на проектирование. Согласно структурной схеме, представленной на рисунке 2.1, и выражений (2.1) - (2.4), исходными данными для проектирования являются параметры его заполнителей (цемента, песка, щебня, химических добавок).
Активность цемента (Ац) или его действительная прочность с течением времени имеет свойство снижаться под воздействием климатических условий. Хранение цемента осуществляется в специализированных емкостях на бетонных заводах, где одновременно могут оказаться цементы, принадлежащие к разным партиям поставок. Таким образом, мы не можем точно утверждать, что активность цемента в емкости хранения соответствует его паспортным данным по марке. Даже при получении цемента от изготовителя активность цемента может незначительно отличаться от указанных в сопроводительных документах характеристик (такие случаи редки, но имеют место). Следовательно, даже после осуществления лабораторных испытаний цемента [25, 26] специалист лаборатории не может гарантировать точное значение активности для всей партии, отобранной для производства в настоящий момент времени. Иначе говоря, активность цемента имеет нечеткий характер, то есть ее значение находится в определенных допустимых пределах.
Рассмотрим параметры крупного заполнителя - щебня (гравия). Влажность щебня (РГщ, %) определяется на основании отбора проб в лабораторных условиях. Щебень хранится «навалом» на открытом воздухе в специально отведенных для этого местах. Его влажность определяется также климатическими условиями и тем, на какой глубине насыпи он находится.
Таким образом, весьма сложно утверждать об истинной влажности материала на основании отбора проб, хотя можно сделать вывод о том, что результаты испытаний близки к истинному значению. Следовательно, влажность щебня также находится в диапазоне значений не превышающем определенный предел (1%) согласно рекомендациям по изготовлению бетонов [21, 29, 30, 36]. Модуль крупности щебня {МКРЩ) характеризует наибольшую величину его частиц и определяется по просеву сквозь специальные сита отобранной пробы щебня (гравия), что позволяет нам говорить о его нечетком характере. То же самое можно сказать о влажности песка, его условия хранения совпадают с условиями хранения щебня. Определяется она по отобранным пробам и ее значение находится в определенном диапазоне величин.
Далее перейдем к процессу изготовления бетонной смеси. Спроектированный специалистами состав носит четкий характер, нечеткость в его численные значения вносят погрешности весо-дозирующих устройств сыпучих материалов и датчик закрытия подачи воды бетонного завода. Погрешность весо-дозирующих устройств и датчика подачи воды составляет 10%. Таким образом, производственный состав бетонной смеси также имеет нечеткий характер, количественные характеристики масс его заполнителей находятся в неких диапазонах величин.
Анализируя вышесказанное, можно говорить о неопределенности результата изготовления бетона, его качество определяется двумя параметрами -прочностью на сжатие (Rg кг/см2) и морозостойкостью (F, циклов). Помимо этих основных параметров существуют другие характеристики качества бетона (влажность, водопоглощение, пористость, водонепроницаемость) [38, 39], но эти параметры зависят от параметров технологического процесса его производства. И все же главным показателем, характеризующим качество бетона, является его прочность на сжатие [1, 3, 24]. Проектирование состава бетона ведется в условиях нечетких входных данных о большинстве заполнителей смеси и неопределенности его результата - прочности бетона на сжатие. В связи с чем, предлагается новый подход к проектированию составов бетонных смесей.
Представленные в главе 2 компьютерные модели позволяют автоматизировать расчеты при осуществлении операций проектирования составов, планирования испытаний и обработку их результатов, значительно сокращая время расчетов. При этом для подтверждения результатов проектирования, необходимо проводить производственные испытания контрольных образцов бетона по ГОСТ 10180-90 [32]. Фактически данные испытания являются процессом прогнозирования качества бетона будущих серийных изделий для данного состава заполнителей. Длительность таких испытаний составляет 28 суток. Нами предлагается новый подход к прогнозированию качества будущего бетона и соответственно к процессу проектирования составов бетонных смесей.
Подход к проектированию составов бетонных смесей (ПРОСБС), включающий процедуры автоматизированного подбора состава заполнителей, прогнозирования качества будущего бетона и корректировку состава по результатам прогнозирования качества и представляющий собой систему автоматизированного проектирования составов бетонных смесей, базирующуюся на двух взаимосвязанных нечетких математических моделях, функционирующих в режиме пошагового приближения к оптимальному качеству будущего бетона с использованием нечетких правил преобразования информации, основанных на экспертных и экспериментальных данных. Структура автоматизированной системы проектирования составов бетонных смесей с прогнозированием качества представлена на рисунке 3.1.
Разработка общей имитационной модели системы автоматизированного проектирования составов бетонных смесей
До использования компьютерной программы нечеткого проектирования с прогнозированием о будущей прочности бетона специалисты могли судить приблизительно и основываясь на своем собственном опыте. Но при этом любой специалист обязательно проведет экспериментальную проверку спроектированного состава с целью убедится в собственной правоте. Также не следует забывать, что проектирование традиционным способом довольно емкий процесс с точки зрения временных затрат.
Применение программы для ЭВМ и программно-технического комплекса позволяет: - сократить до нескольких десятков секунд время, затрачиваемое на проектирование состава бетонной смеси; - отображать прогнозируемое значение прочности бетона для спроектированного состава бетонной смеси; - осуществлять коррекцию состава бетонной смеси в зависимости от результатов прогноза качества при неизменном составе заполнителей смеси за счет их количественного перераспределения задолго до изготовления опытных образцов; - повысить эффективность работы сотрудников строительных лабораторий за счет использования менее квалифицированных сотрудников для подбора состава; - сократить брак на производстве бетона за счет прогнозирования качества на стадии проектирования. Все эти преимущества значительно повышают эффективность использования программы и программно-технического комплекса нечеткого проектирования состава заполнителей бетонной смеси с прогнозированием качества бетона, что в свою очередь ведет к сокращению времени технологического процесса производства бетона. Подведем итоги проделанной работы. Основными результатами являются следующие: 1) Предложен подход к проектированию состава бетонной смеси с прогнозированием качества, основанный на представлении параметров бетонной смеси, параметров ее компонент, параметров технологического процесса, параметров химической добавки, и параметров готового бетона в виде нечетких множеств и их преобразованиях с использованием единой функции принадлежности для всех терм-множеств Т(Х) входных данных, позволивший разработать математическую модель САПР составов БС с прогнозированием прочности бетона. 2) В рамках предложенного подхода разработана математическая модель автоматизированного прогнозирования качества бетонной смеси по параметрам компонент, добавок и требованиям к конечному продукту, основанная на представлении нечетких множеств указанных параметров в виде нечетких преобразований и позволяющей при частой смене сырья и предъявляемых требований к качеству бетона сократить время на подготовку к производству, материальные затраты, использование труда специалистов высокой квалификации и стабилизировать параметры готовых изделий. 3) Разработана математическая модель автоматизированного проектирования составов бетонных смесей по параметрам компонент, добавок и требованиям к конечному продукту на базе сформулированного метода, базирующаяся на представлении нечетких множеств указанных параметров в виде нечетких преобразований и позволяющей при частой смене сырья и предъявляемых требований к качеству бетона сократить время на подготовку к производству, материальные затраты, использование труда специалистов высокой квалификации и стабилизировать параметры готовых изделий. 4) Разработана имитационная модель на базе математических нечетких моделей проектирования составов бетонных смесей и прогнозирования их качества, которая объединяет их в единый комплекс проектирования с прогнозированием качества готового бетона на стадии подготовки к производству, что ведет к значительной экономии людских, временных и материальных ресурсов. При этом нечеткая математическая модель проектирования состава бетонной смеси и нечеткая математическая модель прогнозирования качества будущего бетона в качестве преобразования входных параметров используют термы фаззификации в виде экспоненциальной функции, в качестве нечетких выводов - максиминные композиции (композиционное правило Заде), а в качестве методов дефаззификации - соответственно метод медианы и метод наименьшего максимума. 5) Разработана математическая модель автоматизированного подбора состава бетонной смеси, позволяющая сократить время расчетов по подбору состава бетонной смеси, повысить эффективность работы сотрудников строительных лабораторий, повысить качество бетонной смеси за счет более высокой точности расчетов, более гибко подходить к процессу подбора состава бетона в вопросе введения новых химических добавок и их характеристик. 6) Разработана математическая модель автоматизированного планирования испытаний образцов бетона с обработкой экспериментальных данных. Данная модель позволяет получить многие зависимости исследуемых свойств бетона, тем самым открывается возможность с помощью ЭВМ и программного обеспечения прогнозировать те или иные свойства будущей бетонной смеси за короткое время с учетом изменения параметров входящих компонентов в широких пределах. Автоматизация выбора и накопления самих моделей планирования факторных экспериментов еще больше сокращает время и повышает объективность рассматриваемого процесса, а это и предопределяет экономию времени, энергетических и интеллектуальных затрат при планировании экспериментов для испытания опытных образцов бетонной смеси. На базе полученных математических моделей разработаны следующие компьютерные программы: 1. программа автоматизированного подбора состава бетонной смеси; 2. программа автоматизированного планирования испытаний образцов бетона с последующей статистической обработкой экспериментальных данных; 3. программа автоматизированного прогнозирования прочности бетона. Данный комплекс программ: 1. позволяет сократить длительность процесса проектирования состава с 760 часов до ОД - 0,2 часа; 2. нормативная трудоемкость проектирования снизилась с 20 н/час до 0,2 н/час; 3. стоимость процесса проектирования одного варианта состава бетонной смеси снизилась с 969,61 руб. до 10,5 руб.; 4. ожидаемый годовой экономический эффект внедрения результатов автоматизации процесса проектирования составляет 38 365 рублей.
