Введение к работе
Актуальность проблемы. Противоречия между все возрастающими потребностями современного общества в механической работе и ограниченностью энергетических и материальных ресурсов, рост конкуренции между производителями сложной наукоемкой продукции, функционирующими в условиях неопределенности и динамичности окружающей социально-экономической среды, обуславливают проблему поиска и разработки эффективных средств повышения качества поршневых ДВС, ускорения процессов их исследования, проектирования и производства, а также сокращения издержек на всех стадиях жизненного цикла транспортных двигателей.
Указанная проблема может быть решена на основе системного подхода, опираясь на современный уровень науки о ДВС, достижения в области технологии производства, успехи теории и практики информационных и коммуникационных технологий, которые диктуют необходимость выработки качественно новых подходов к автоматизации этапов жизненного цикла двигателя. Важнейшую роль играет профессиональная подготовка участников ЖЦ ДВС и непрерывное повышение ее уровня. На современном этапе развития поршневых двигателей определяющим является формирование инновационной технологии информационного обеспечения их жизненного цикла с целью повышения качества выпускаемых двигателей, сокращения сроков и затрат на их проектирование, создание, эксплуатацию и утилизацию, снижения экологической нагрузки от их работы на человека и окружающую среду. Решение поставленной проблемы обеспечивается работой в следующих направлениях:
+ разработка концепции и формирование единого информационного пространства ДВС. Эта работа должна осуществляться на основе: -к широкого использования системного анализа, элементов теории искусственного интеллекта, современных информационных и коммуникационных технологий, в частности, CALS-технологий; * системности и комплексности при создании
всех видов обеспечения ЖЦ двигателя, четкой взаимоувязки отдельных его этапов и процессов;
4- создание эффективных инструментальных средств для работы с ЕИП ДВС, обеспечивающих высокий уровень взаимодействия участников их жизненного цикла и управления этапами его создания и сопровождения, а также управления процессами его функционирования;
4- разработка инновационных технологий подготовки высокопрофессиональных специалистов для формирования ЕИП ДВС и обеспечения поддержки жизненного цикла двигателей.
Цель исследования — повышение качества поршневых ДВС на основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований по формированию компонентов единого информационного пространства для обеспечения эффективных этапов жизненного цикла двигателей.
Объекты исследования - поршневой автотракторный двигатель внутреннего сгорания, специалисты-участники его жизненного цикла.
Предмет исследования - компоненты единого информационного пространства ДВС, необходимые для эффективной работы с информацией о свойствах поршневых ДВС и профессиональной подготовки специалистов-участников их жизненного цикла.
Для реализации цели исследования поставлены следующие задачи:
> разработка научных основ формирования ЕИП ДВС для отдельных эта
пов и участников жизненного цикла двигателя. С учетом сложности и много
плановости формирования технологии его практической реализации в диссер
тации эта задача решается на примере детальной проработки двух компонентов
ЕИП ДВС: системы моделей для описания структурного шума двигателей
и системы подготовки специалистов жизненного цикла ДВС;
У разработка методов управления одной из основных экологических характеристик ДВС при его концептуальном проектировании - структурным шумом на основе:
анализа и систематизации моделей, используемых для описания механизма возникновения структурного шума двигателей от рабочего процесса и механического происхождения;
формирования модели прогнозирования шума двигателей в составе транспортного средства для выбора эффективной стратегии и тактики их акустической доводки при заданных нормативных ограничениях;
создания структуры и адаптации математических моделей различного уровня для САПР «Виброакустика ДВС», являющейся "сегментом единого информационного пространства двигателей внутреннего сгорания;
> формирование концепции синтеза обобщенных конечно-элементных
моделей компонентов конструкции ДВС для детального анализа колеба
тельных характеристик деталей. Исследование характеристик блок-
картера, коленчатого вала, системы «блок-картер - коленчатый вал» и подго-
товка на этой основе практических рекомендаций по их направленному изменению с целью снижения структурного шума двигателя;
У разработка принципов и методических основ формирования системы непрерывной энергоэкологической подготовки участников различных этапов жизненного цикла двигателей, использующих ЕИП ДВС;
создание интегрированного обучающего комплекса «Двигатели внутреннего сгорания» для обеспечения подготовки участников жизненного цикла двигателей, являющегося элементом ЕИП ДВС;
реализация с помощью ИОК «ДВС» инновационной подготовки и сопровождения профессиональной деятельности участников жизненного цикла двигателей.
Основным результатом работы являются: методология формирования компонентов единого информационного пространства для обеспечения жизненного цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания, система моделей для формирования требуемых акустических качеств ДВС в составе автомобиля, методики и средства непрерывной профессиональной подготовки участников жизненного цикла ДВС.
На защиту выносятся:
методология формирования компонентов единого информационного пространства двигателей внутреннего сгорания;
теоретические положения и методы математического моделирования процессов структурного шумоизлучения ДВС с целью его минимизации на стадии проектирования;
методология синтеза обобщенных конечно-элементных моделей компонентов конструкции ДВС для детального исследования колебательных характеристик деталей и результаты исследования этих характеристик;
методология организации непрерывной подготовки участников жизненного цикла двигателя с использованием современных информационных технологий и единого информационного пространства ДВС;
методы разработки средств информационного обеспечения обучения и профессиональной деятельности участников ЖЦ двигателя.
Методы исследования. При решении проблем формирования компонентов единого информационного пространства ДВС использовались: методы системного анализа, современные информационные технологии, численные методы решения задач механики сплошной среды и уравнения математической физики для описания физико-математических моделей.
Научная новизна исследования заключается в разработке теоретических положений и методологии повышения качества поршневых двигателей, научных и практических способов и методов, методик, математических моделей на основе использования ЕИП ДВС. Она включает:
> научные основы формирования единого информационного пространст
ва ДВС для его использования в жизненном цикле двигателя;
теоретические положения и методологию разработки методов и компонентов для создания единого информационного пространства ДВС;
новый подход к построению информационной модели двигателя;
систематизацию, алгоритмизацию и разработку системы моделирования структурного шума ДВС в составе транспортного средства;
концепцию синтеза обобщенных конечно-элементных моделей деталей конструкции ДВС и результаты исследования колебательных характеристик блок-картера, коленчатого вала, системы «блок-картер - коленчатый вал»;
методологию инновационной многоуровневой и многоаспектной профессиональной подготовки участников ЖЦ ДВС с использованием разработанных компонентов ЕИП ДВС.
Достоверность результатов. Теоретические исследования базировались на фундаментальных законах и положениях акустики, механики твердого тела, принципах системного анализа, современных методах и средствах моделирования, физически обоснованных моделях рассматриваемых явлений. Результаты численного моделирования подтверждаются и согласуются с экспериментальными данными, полученными автором и опубликованными в печати. Достоверность экспериментов обоснована соблюдением требований стандартов и типовых методик, использованием современных аттестованных методов и средств регистрации и измерения, повторяемостью результатов измерений. Разработанные методы и результаты их реализации прошли апробацию в процессе создания ДВС с заданным уровнем шума, а также при подготовке участников для этапов жизненного цикла двигателя.
Практическая значимость работы заключается в повышении качества поршневых двигателей на основе использования разработанных компонентов ЕИП ДВС. Основными направлениями практического использования результатов исследования являются:
4 многоаспектное применение разработанных методик создания компонентов ЕИП ДВС для его дальнейшего развития;
4 реализация предложенной системы моделей образования структурного шума двигателя в составе САПР «Виброакустика ДВС»;
4- прогнозирование структурного шума ДВС на стадии отработки концепции двигателя;
4 определение наиболее эффективных путей минимизации акустического излучения двигателя внутреннего сгорания для обеспечения регламентируемых требований на шум транспортного средства;
4- использование разработанных компонентов ЕИП ДВС при подготовке и профессиональной деятельности участников жизненного цикла двигателя;
4 решение поставленных задач с применением современных информационных технологий.
Предложенная структура ЕИП ДВС позволяет практически реализовать принципы системности в жизненном цикле двигателя с целью повышения его конкурентоспособности, качества и сокращения сроков его создания.
Использование разработанных инновационных образовательных технологий, реализованных в ИОК «ДВС», обеспечивает заданный государственным стандартом уровень профессиональной подготовки специалистов по ДВС при одновременном снижении материальных и временных затрат.
Работа выполнялась по планам госбюджетных и хоздоговорных работ кафедры «Теплотехника и автотракторные двигатели» МАДИ (ГТУ) в соответствии с тематическими планами НИР и программами Министерства образования и науки Российской Федерации.
Реализация результатов работы. Теоретические, методологические и прикладные исследования по теме диссертации использованы при разработке методов, моделей, алгоритмов, программ и комплексов:
4- учебно-исследовательской САПР ДВС (программа Министерства высшего и среднего специального образования СССР, 1980);
интегрированной системы моделей образования структурного шума ДВС для создания САПР «Виброакустика ДВС» (договоры с ФГУП ГНЦ НАМИ, 2003,2004 гг.);
+ интегрированного обучающего комплекса «ДВС». В настоящее время комплекс «ДВС» используется в учебном процессе в более чем 100 вузах России (в том числе в МАДИ (ГТУ), МГТУ им. Н.Э.Баумана, МГТУ «МАМИ»), Белоруссии, Украины, Казахстана, Узбекистана, Азербайджана, Киргизии, Перу, Югославии, Болгарии, Сирии, Египта, Ирана и Кубы. Результаты работы используются при написании учебников. Первая версия ИОК «ДВС» переведена на испанский язык и применяется в странах Латинской Америки. Компоненты учебника-комплекса используются в промышленности и в исследовательских организациях (ГНЦ РФ ФГУП НАМИ, ОАО АвтоВАЗ, Поволжском отделении Российской Инженерной Академии - ПО РИА и др.).
Теоретические и практические результаты диссертации реализованы в ряде программ Министерства образования и науки РФ следующих НИР:
-f концепция создания системы моделирования экологических характеристик ДВС в течение их полного жизненного цикла с использованием CALS-технологий (Программа Министерства образования Российской Федерации «Развитие научного потенциала высшей школы»);
4- разработка принципов и технологии привлечения региональных учебных заведений, готовящих специалистов для автотранспортного комплекса к работе в информационной обучающей среде открытого образования (Программа Министерства образования Российской Федерации «Научное, научно-методическое, материально-техническое и информационное обеспечение системы образования» на 2001-2002 гг.);
+ разработка принципов, методик и создание дидактических материалов для подготовки специалистов автотранспортного комплекса в информационно-образовательной среде открытого образования {Программа Министерства образования Российской Федерации «Научное, научно-методическое, материально-техническое и информационное обеспечение системы образования» на 2003-2005 гг.).
Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертационной работы обсуждены и апробированы на 54 научно-технических конференциях, из них на 19 международных (6 за рубежом), 5 всесоюзных и 6 всероссийских.
ИОК "ДВС" в составе учебника-комплекса «Двигатели внутреннего сгорания» удостоен премии Правительства Российской Федерации в области науки и техники за 1999 год. В 2004 году на IX международной выставке-конгрессе "Высокие технологии. Инновации. Инвестиции" недели высоких технологий (Hi-Tech) в Санкт-Петербурге ИОК «ДВС» присужден диплом I степени и большая золотая медаль.
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в учебниках «Двигатели внутреннего сгорания» (Т. 1,2,3 - 1995, 2005 гг.) и «Теплотехника» (1-6 изд. - 1999...2006 гг.), 84 печатных работах в научных журналах и сборниках (из них 7 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ). По результатам работы получено 3 авторских свидетельства, зарегистрированы 5 баз данных в Государственном регистре баз данных ФГУП НТЦ «Информрегистр».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложения. Общий объем работы составляет 403 страницы, в том числе 289 страниц основного текста. Работа содержит 8 таблиц и 90 рисунков на 64 страницах, а также ссылки на 360 литературных источников на 39 страницах, в том числе 185 на иностранных языках и 8 сайтов сети Интернет.
