Введение к работе
Актуальность работы. Работа машин обеспечивается взаимодействием технических систем, состоящих, в свою очередь, из элементов различной физической природы. В механизмах функциональных систем используются элементы электро-, гидро-, пневмоавтоматики; широко применяются электрические цепи, имеющие силовые электромагнитные устройства и приводы. Обеспечение надежности и безопасности машин в значительной степени зависит от рационального выбора и возможностей систем защиты оборудования, приборов и аппаратуры от внешних, в том числе, вибрационных воздействий. Современные машины чаще всего представляют собой автоматизированные комплексы, в которых выбор параметров, расчеты рациональных режимов, поиск и выбор вариантов решения задач в оптимизационных подходах, осуществляются на основе математического моделирования. Разработке различных подходов в построениях математических моделей, отражающих динамические взаимодействия технических систем различной физической природы, посвящены работы отечественных и зарубежных ученых: Артоболевского И.И., Фролова К.В., Генкина М.Д., Синева А.В., Блехмана И.И., Дру-жинского И.А., Лазаряна В.А., Львовича А.Ю., Елисеева СВ., Ольсона Г.Ф., Гарднера М.Ф., Бэрнса Дж.Л., Атабекова Г.И., Бакалова В.П., Харкевича А.А., Ден-Гартога Дж.П., Тимошенко СП., Быховского И.И., Шмитца Н., Тетельбаума Р.С, Шаталова А.С, Гальперина И.Н., Балабаняна Н.А., Nelson Р.А., Preumont A., Snowdon I.S, Ungar E.R. и др.
Математический аппарат теории автоматического управления оказался достаточно эффективным подходом для объединения в обобщенных структурных интерпретациях многих задач динамического взаимодействия, а операторные методы исследования и оценки динамических свойств систем при периодических воздействиях получили широкое распространение. Вместе с тем, существует обширный класс задач, связанный с учетом специфических свойств механических цепей, а также электрических цепей, использующих устройства для преобразования движения и энергии. Ряд вопросов методологического характера и конкретного математического обеспечения в решении задач, связанных с оценкой динамических свойств систем, получил свою опору в развитии принципов электромеханических аналогий, что нашло свое отражение в разработке теории цепей.
Несмотря на серьезные успехи в приложениях теории цепей в электро-, радиотехнике и электронике, теория механических цепей получила меньшее развитие. Хотя вопросы эквивалентного отображения свойств механических цепей и сопряжения их с электрическими аналогами, а также отображения свойств электрических цепей на механические аналоги не получили пока должного внимания. К числу малоизученных можно отнести и вопросы сопрягаемости или стыкуемости структурных моделей, построенных на основе теории цепей и соответствующих моделей или структурных схем, используемых в теории автоматического управления. В связи с этим разработка методологических позиций в оценке возможностей, объединение структурных интерпретаций систем различной физической природы представляется актуальным научным направлением научных исследований не только в плане развития теоретических основ, но и для конкрет-
ных приложений в динамике современных машин (робототехника, вибродиагностика, мехатроника и др.).
Перспективным направлением поисков по развитию интегральных представлений о математическом моделировании технических систем комплексной природы является также учет возможностей расширения элементной базы механических систем за счет использования устройств преобразования движения, рычажных механизмов и дополнительных связей, что находит применение в теории цепей, но в меньшей степени влияет на математическое обеспечение вычислительного моделирования механических систем.
Цель диссертации заключается в разработке методов построения математических моделей современных машин, оборудования и аппаратуры, объединяющих возможности аналитического аппарата теории цепей и теории автоматического управления движением.
Для достижения поставленной цели предполагается решение ряда задач.
Развитие аппарата теории механических цепей для учета особенностей динамического взаимодействия звеньев с включением твердого тела, совершающего плоское движение.
Разработка метода упрощения цепных структур на основе исключения промежуточных координат и изучение возникающих при этом особенностей механических цепей.
Исследование возможностей расширения понятий о соединениях элементов в механических цепях и разработка метода сочленения разнородных структурных схем.
Разработка метода динамического синтеза виброзащитных систем на основе введения электродинамических связей.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработан метод оценки динамических свойств на основе интеграции подходов, использующих аппарат теории цепей и автоматического управления;
разработана методика построения математических моделей с электродинамическими связями, позволяющая электромеханические цепи вводить в структурные схемы систем управления движения;
разработан метод построения математических моделей систем, основанный на расчете особенностей твердого тела, привносящего в механическую цепь рьшажные связи.
Методы исследования, применяемые в работе, основаны на использовании аппарата теоретической механики и ее приложений, теории механизмов и машин, теории колебаний, теории управления движением, а также аналитического аппарата теории цепей, теории автоматического управления.
Практическая значимость исследований заключается в разработке нового подхода в динамике машин и создании методологических основ построения математических моделей технических систем, состоящих из подсистем, имеющих в своем составе элементы и устройства другой физической природы. Последнее достигается развитием структурных методов, объединяющих возможности теории цепей и теории автоматического управления.
Достоверность результатов подтверждается результатами вычислительного эксперимента, а также эксперимента на лабораторных макетах виброзащитных систем.
Внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены на ряде предприятий региона и используются в учебном процессе для студентов ИрГУПС (г. Иркутск) и БрГУ (г. Братск) в спецкурсах по динамике транспортных и строительно-дорожных машин.
Апробация работ. Основные результаты исследований опубликованы в 14 научных работах, в том числе в трех работах, опубликованных в изданиях, входящих в перечень ВАКа, и обсуждались на семинарах НИИ современных технологий, системного анализа и моделирования ИрГУПСа. Доклады по результатам исследований были представлены на следующих научных конференциях: IX школа-семинар «Математическое моделирование и информационные технологии (Институт динамики систем и теории управления СО РАН - г. Иркутск, 2007 г., 2011 г.; XI Международная научная конференция «Ре-шетневские чтения» - г. Красноярск, 2007 г., 2011 г.; 45-ая Международная научно-практическая конференция «Инновационные технологии транспорту и промышленности» - г. Хабаровск: ДВГУПС, 2007 г.; Международная научная конференция «Fall Conference of the Korean Society of Railway Korean Railroad Researche Institute». Seoul, 2007; IV Международный симпозиум памяти академика РАН В.А. Ильина - г.г. Улан-Удэ, Иркутск: БГУ, ИНЦ СО РАН, 2008 г.; Всероссийская конференция «Винеровские чтения» - г. Иркутск: ИрГТУ, 2008-2011 г.г.; IX Всероссийская научно-практическая конференция «Кулагинские чтения» - г. Чита: Забайкальский государственный университет. - 2009-2011 г.г.; IV Международная научная конференция «Проблемы механики современных машин» - г. Улан-Удэ: БГУ, ИДСТУ СО РАН. - 2009 г.; Международная научно-практическая конференция «Динамика и прочность машин, зданий и сооружений» - г. Полтава: ПолтНГУ. - 2009 г.; Международная конференция «Korean Railroad International», Korea, Seoul, 2009; Международная конференция «Информационные и математические технологии в науке, управлении и технике» - г. Иркутск: ИрГТУ, ИСЭ СО РАН, 2010 г.; Международная научная конференция «Математика, ее приложения и математическое образование» - г. Улан-Удэ: БГУ, ИДСТУ. - 2011 г.; Было опубликовано 15 научных статей, в том числе, 3 статьи в журналах, входящих в перечень ВАКа; подана заявка на изобретение.
Структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов общим объемом 210 страниц, 116 рисунков, 7 таблиц и библиографии из 117 наименований.
