Введение к работе
Актуальность работы. Развитие ядерной энергетики, чернобыльская катастрофа, необходимость решения задач по инженерной защите персонала, населения, оборудования, зданий и сооружений ряда отраслей промышленности, включая хранение высокотоксичных и радиоактивных отходов и материалов, значительно повысили актуальность создания композиционных материалов со специальными свойствами и возможностью регулирования их структуры.
Сложность проблемы обуславливает необходимость разработки фундаментальных основ и применения математического моделирования, численных методов и комплексов программ; комплексных исследований научных и технических проблем с применением современных технологий математического моделирования и вычислительного эксперимента; разработки новых математических методов и алгоритмов интерпретации натурного эксперимента на основе его математической модели.
Важной задачей является не только создание теоретической основы для получения различных материалов с заданным комплексом эксплуатационных свойств, но и разработка информационной базы для проектирования и управления технологией их производства, а также проведения глубокого анализа с использованием системного подхода и теории управления.
Решение указанных проблем имеет особую важность как для страны в целом, так и для отдельных регионов, где в соответствии с Федеральной программой создаются производства по уничтожению запасов химического оружия.
Актуальность тематики подтверждается тем фактом, что к работам в этой области проявлен интерес ряда государственных структур, включая аппарат полномочного представителя Президента Российской Федерации в Приволжском Федеральном округе; Международного научно-технического центра (Бельгия, Брюссель), Ядерного центра (Россия, Снежинск), Физического института Российской академии наук им. П.Н. Лебедева, Российской академии архитектуры и строительных наук, Федеральной службы специального строительства Российской Федерации, Министерства промышленности, науки и технологий Российской Федерации и других заинтересованных организаций США, Румынии, Израиля, Германии и др.
Значительные исследования по математическому моделированию и разработке программно-алгоритмического обеспечения для создания радиационно-защитных сверхтяжелых бетонов длительное время проводятся на кафедрах математики и математического моделирования, строительных материалов Пензенского государственного университета архитектуры и строительства в рамках следующих государственных программ, грантов и заданий:
- Программа «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники на 2001-2002 г.г.» раздел: 211.02 «Создание
высококачественных строительных материалов и изделий. Разработка ресурсосберегающих, экологически безопасных технологий в стройиндустрии (гос.рег. №01200103653);
Грант Минобразования РФ Т02-12.2-116, 2003-2004 г.г. «Разработка нового подхода к синтезу строительных материалов с использованием методов теории управления» (гос.рег. № 01200303812);
Межотраслевая программа научно-инновационного сотрудничества между Министерством образования Российской Федерации и Федеральной службой специального строительства Российской Федерации «Наука, инновации, подготовка кадров в строительстве». Направление «Научно - инновационное сотрудничество», 2003 г. (гос. per. №01200307727);
Задание Федерального агентства по образованию; приоритетное направление науки и техники — «Новые материалы и химические технологии», 2006-2007 г.г.;
Задание Федерального агентства по образованию; НИР - «Физико-химические основы технологии наномодифицирования границы раздела фаз «вяжущее - вещество - дисперсная фаза» композиционных материалов специального назначения. Разработка составов, технологии изготовления», 2008-2009 г.г.
Цели работы:
- математическое моделирование и разработка программно-алгорит
мического обеспечения для создания композиционных материалов с регули
руемыми структурой и свойствами;
- разработка на их основе с использованием методов системного анализа и
теории управления нового подхода к синтезу материалов со специальными
свойствами.
Реализация поставленных целей осуществлялась последовательным решением следующих основных задач:
разработка когнитивных моделей на основе представления композиционных материалов как систем;
разработка иерархических структур критериев качества и собственно радиационно-защитных композитов при их представлении как сложных систем с системными атрибутами и выделением интегративных свойств;
математическое моделирование кинетических процессов формирования структуры и свойств материалов нового поколения;
- разработка методик параметрической идентификации кинетических
процессов различных видов;
разработка функционалов качества для оценки основных кинетических процессов;
формализация оценки структуры и свойств композиционных материалов на основе разработанных функционалов качества;
однокритериальная оптимизация кинетических процессов на основе построения областей равных оценок для управления качеством композитов;
минимизация размерности критериального пространства с использованием метода главных компонент;
многокритериальная оптимизация радиационно-защитных композитов;
математическое моделирование флокулообразования и седиментации в дисперсных системах;
численный эксперимент для определения условий флокуляции и седи-ментационной устойчивости композиции с полидисперсным наполнителем;
- определение рецептурно-технологических параметров сверхтяжелых
бетонов для защиты от радиации.
Методы исследования основываются на структурном и параметрическом моделировании, аппаратах вычислительной математики, прикладной статистике, системном анализе, теории управления, методах оптимизации, а также на экспериментальных исследованиях и квалиметрии. Научная новизна
Математическое моделирование структуры и свойств материалов нового поколения; создание обобщенной модели кинетических процессов.
Разработка методик параметрической идентификации для различных видов кинетических процессов.
Объективизация оценки структуры и свойств композиционных материалов на основе разработки функционалов качества.
Однокритериальная оптимизация кинетических процессов на основе построения областей равных оценок.
Моделирование процессов флокулообразования и седиментации дисперсных систем с использованием специально разработанного оригинального программного обеспечения модульной архитектуры с визуализацией конфигураций и динамики частиц.
Представление композиционных материалов как систем (осуществлено впервые).
Иерархические структуры критериев качества и собственно радиаци-онно-защитного композита с использованием разработанных когнитивных моделей композиционных материалов как слабоструктурированных систем для управления их качеством.
Минимизация размерности критериального пространства с использованием метода главных компонент.
Многокритериальная оптимизация радиационно-защитных композитов при установленных приоритетах критериев качества.
10. Новый подход к синтезу и методологические принципы управления
качеством композитов для защиты от радиации с использованием математиче
ского моделирования кинетических процессов формирования физико-
механических характеристик, планирования эксперимента, системного подхода и теории управления.
12. Рецептурно-технологические параметры материалов специального назначения на основе разработанного подхода.
Практическая ценность. На единой методологической базе на основе математического моделирования с использованием разработанного программно-алгоритмического обеспечения предложено новое направление для создания композиционных материалов с регулируемыми структурой и свойствами.
Разработанные с использованием диссертационных исследований композиционные материалы со специальными свойствами представляют интерес на международном рынке защитных материалов и технологий их производств.
Результаты диссертационных исследований могут быть использованы при разработке сверхтяжелых бетонов для защиты от радиации и при строительстве сооружений для хранения специальной техники.
Практическую значимость результатов работы подтверждают: бронзовая медаль за разработку «Бетон для защиты от радиации нового поколения» (ВВЦ: VII Московский международный салон инноваций и инвестиций, 2007); дипломы международных форумов по вопросам науки, техники и образования в номинациях: «Прогрессивные промышленные технологии и материалы» (г. Москва, 2002); «Экология и безопасность окружающей среды» (г. Москва, 2005), а также акты внедрения, приведенные в приложениях к диссертации.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
математическое моделирование кинетических процессов формирования основных физико-механических характеристик композиционных материалов со специальными свойствами;
математическое моделирование флокулообразования и седиментации в дисперсных системах;
программно-алгоритмическое обеспечение для определения условий флокуляции и седиментационной устойчивости композиции с полидисперсным наполнителем на основе численного эксперимента;
методы и алгоритмы структурно-параметрического синтеза, идентификации и оптимизации рецептурно-технологических параметров композиционных материалов как сложных систем с использованием оригинального программно-алгоритмического обеспечения;
рецептурно-технологические параметры сверхтяжелых бетонов для защиты от радиации.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: II и IV Международные конференции «Идентификация систем и задачи управления» (Москва, ИПУ РАН, 2003, 2005 гг.); III Международная конференция «Параллельные вычисления и задачи управления» (Москва, ИПУ РАН 2004 г.); III и VI Международные конференции «Кибернетика и технологии XXI в.» (Воронеж,
2002, 2005 гг.); Международные симпозиумы «Надежность и качество» (Пенза, 2001, 2004 гг.); Международные форумы по проблемам науки, техники и образования (Москва, 2002, 2005 гг.); Первые Воскресенские чтения «Полимеры в строительстве» (Казань, 1999 г.); V академические чтения РААСН «Современные проблемы в строительном материаловедении» (Воронеж, 1999 г.); Международная научно-техническая конференция «Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий» (Москва-Сочи, 2000 г.); Международная конференция «Моделирование, оптимизация и интенсификация производственных процессов и систем» (Вологда, 2001 г.); Первые Соломатовские чтения «Проблемы строительного материаловедения» (Саранск, 2002 г.); Международная научно-практическая конференция «Системный подход в науках о природе, человеке и технике» (Таганрог, 2003 г.); Конференция-выставка по результатам реализации межотраслевой Программы Министерства образования РФ и Спецстроя РФ (Москва, 2003 г.); Всероссийские научно-технические конференции «Актуальные проблемы современного строительства» (Пенза, 1997,1999, 2003, 2005, 2007, 2009); Международная школа-семинар по геометрии и анализу памяти Н.В. Ефимова. (Ростов-на-Дону, 2004 г.); III Международная конференция по проблемам управления, РАН, ИПУ им. В.А.Трапезникова (Москва, 2006 г.); научный семинар Средневолжского математического общества (Саранск, 2006 г.); семинар «Структурообразование, прочность и разрушение композиционных строительных материалов и конструкций» (Одесса, 2007);VIII, IX Всероссийские симпозиумы по прикладной и промышленной математике (Адлер, 2007 г., Кисловодск, 2008 г., Санкт-Петербург, 2009 г.); международная научная конференция «Моделирование-2008», Институт проблем моделирования в энергетике им. Г.Е.Пухова НАН Украины (Киев, 2008); международная научная конференция МОК-47 «Компьютерное материаловедение и прогрессивные технологии» (Одесса, 2008).
Результаты диссертационных исследований отмечены медалями и дипломами различных Международных и Российских государственных организаций (Малая медаль РААСН, 2003; диплом РААСН, 2002; Building Business «Bau-Fach», Leipzig, 2001 -диплом; Россия-Великобритания: Торгово-экономическое сотрудничество, реалии и перспективы, Лондон, Великобритания, 2002 - диплом; форум «РОССИЯ ЕДИНАЯ», 2002 - диплом; IV международная выставка, Астана, 2003 - диплом; Совет межотраслевой программы сотрудничества Минобразования РФ и Спецстроя РФ на 2001 - 2005 годы - диплом; Международные форумы по проблемам науки, техники и образования, 2002, 2005 - Золотые дипломы; VII Московский международный салон инноваций и инвестиций, Москва, ВВЦ, 2007 - бронзовая медаль); включены в перечень «Фундаментальные и приоритетные прикладные исследования РААСН по научному обеспечению развития архитектуры, градостроительства и строительной отрасли Российской Федерации в 2007 году».
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 66 работах, в их числе: 14 статей - в журналах, вошедших в перечень ВАК по рекомендации экспертного совета по управлению, вычислительной технике и информатике; 18 статей - в других изданиях по перечню ВАК; 3 - за рубежом; 13
- в изданиях РАН; 1- в изданиях РААСН; 9 - в отечественных научных жур
налах; 8 монографий.
Личный вклад. Все основные результаты диссертационных исследований получены автором.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Текст диссертации изложен на 308 с. машинописного текста, включающих 103 рисунка, 10 таблиц, 169 библиографических ссылок.
