Введение к работе
Актуальность темы. Высокоэнергетические композиты (ВЭК) находили и находят широкое применение во многих сферах деятельности человека, включая и военные технологии. В связи с этим актуальным становится создание новых и более эффективных энергетических систем (ЭС), способных удовлетворять современным требованиям. В свою очередь, создание ВЭК связано с определением и прогнозированием как свойств их самих, так и свойств вновь создаваемых компонентов таких ЭС, а также свойств технологических пожаровзрывоопасных материалов (ПВОМ), сопутствующих технологиям синтеза компонентов и создания ВЭК, например, легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ).
На стадиях проектирования, включающих в себя выбор ВЭК, их компонентов и технологических ПВОМ, технологий их получения и переработки, важной задачей является прогнозирование свойств материалов, технических условий с целью экспертной оценки корректности принимаемых решений, в том числе при синтезе перспективных соединений.
Большое количество экспериментальных данных по свойствам ВЭК и их компонентов (чувствительность к удару и трению, скорость детонации, химическая стойкость, энтальпии сгорания и образования и т.д.) являются базой для конструирования ЭС, предварительный экспертный анализ которых позволяет предъявлять требования уже на стадии конструирования к технологиям их переработки. Создание подобных технологий тесно связано с определением свойств перерабатываемых материалов, в большинстве своем являющихся взрывчатыми веществами (ВВ). Определение опасных свойств (чувствительность к трению и удару, скорость детонации) ВВ, с учетом их относительно высокой стоимости и специфики проведения экспериментов, является весьма трудоемким и финансово затратным процессом, но без таких данных создание новых технологий может стать не только дорогим, но и потенциально опасным, как для людей, так и для экологии в целом.
Изложенное выше является основанием необходимости моделирования и аппроксимации свойств ВЭК, их компонентов и сопутствующих энергетических материалов (ЭМ) с целью оценки характеристик вновь создаваемых ВЭК, что, в свою очередь, связано с разработкой баз данных и необходимостью проведения экспериментов по определению рассматриваемых характеристик ВЭК, их компонентов и технологических ПВОМ. Поставленная задача является актуальной, а проблематика ее решения связана с определением влияния на целевые характеристики множества факторов, таких как параметры компонентов ВЭК (скорость детонации, молекулярная масса, чувствительность к удару и трению, плотность и т.д.), так и свойства самих ВЭК (плотность, соотношение компонентов, дисперсность и т.д.).
Цель диссертационной работы заключается в создании эффективного метода анализа и прогноза свойств ВЭК, включая полимерсодержащие, их компонентов и технологических ПВОМ с использованием информационных технологий.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- провести анализ факторов, оказывающих влияние на свойства и характеристики
пожаровзрывоопасных материалов, таких как В ЭК, их компоненты и
технологические ПВОМ с выбором наиболее значимых для практического
использования и разработки новых технологий;
- разработать метод моделирования свойств В ЭК, их компонентов и
технологических ПВОМ с определением стадий анализа, моделирования,
прогноза и аппроксимации с помощью информационных технологий, включая
статистические, на основе разработанных баз данных с предварительным
анализом, сравнением и выбором методов, позволяющих прогнозировать
параметры безопасности и работоспособности В ЭК, их компонентов и
технологических ПВОМ с точностью, соответствующей реализуемой
существующими стандартными экспериментальными методами определения
рассматриваемых характеристик, с проведением необходимых экспериментов по
определению характеристик В ЭК и их компонентов с целью дополнения
разработанных баз данных;
- разработать методическое обеспечение проектирования В ЭК данными по
свойствам индивидуальных компонентов и штатных В ЭК с использованием
разработанного метода анализа и прогноза свойств выбранных объектов
исследования;
- протестировать метод и проведение параметрических расчетов по
прогнозированию параметров опасности и работоспособности В ЭК, их
компонентов и технологических ПВОМ с целью уточнения параметров
компьютерного моделирования с оценкой точности и корректности их
использования, в том числе применительно к новым ВЭК и их компонентам с
проведением экспериментального определения их свойств.
Методология и методы исследования включают: анализ и моделирование свойств и характеристик ВЭК и их компонентов с помощью линейно-регрессионного анализа, деревьев решений, кластерного анализа и нейросетевых технологий; аппроксимацию и прогнозирование свойств и параметров ВЭК, включая полимерсодержащие, их компонентов (циклические нитрамины, нитротриазолы, нитротетразолы и другие высокоэнергетические нитросоединения) и технологических ПВОМ с точностью, соответствующей реализуемой существующими стандартными экспериментальными методами определения рассматриваемых характеристик.
Научная новизна. Впервые получены данные по свойствам высокоэнергетических композитов, включая полимерсодержащие, с использованием комплексного анализа данных на основе созданного высокоэффективного алгоритма индуктивного анализа, включающего предварительную систематизацию многопараметрической информации с использованием кластерного анализа и нейросетевого алгоритма и позволившего аппроксимировать параметры ВЭК с точностью, соответствующей реализуемой
существующими стандартными экспериментальными методами определения рассматриваемых характеристик.
Теоретическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты уточняют и развивают исходные теоретические положения о влиянии различных факторов на рассматриваемые характеристики ВЭК, могут быть использованы в качестве обоснования выбора высокоэнергетических композитов и их компонентов на всех стадиях проектирования технологий их создания и переработки. Материалы диссертации могут быть использованы при разработке учебно-методических материалов по различным техническим дисциплинам в высших учебных заведениях.
Практическая значимость работы. Разработанный комплексный подход к анализу, моделированию и прогнозу свойств и характеристик ВЭК, включая полимерсодержащие, их компонентов и сопутствующих технологиям их переработки позволяет повысить безопасность вновь создаваемых технологий и обеспечить прогнозирование характеристик и стадий проектирования и выбора ВЭК и их компонентов.
Личный вклад автора заключается в анализе литературных данных, отработке методик измерений, выбора теоретических и экспериментальных методов решения поставленных задач, разработке баз данных по свойствам ВЭК и их компонентов, личном участии в проведении экспериментальных исследований, анализе и интерпретации полученных данных, подготовке к публикации докладов и статей.
Достоверность полученных результатов работы обеспечивается применением современных методов экспериментальных измерений, сертифицированной измерительной аппаратуры, большим объёмом полученных экспериментальных данных, современной вычислительной техники и информационных технологий для проведения расчётов. Достоверность результатов моделирования подтверждается удовлетворительной сходимостью расчётных и экспериментальных данных. Полученные результаты обсуждены на ряде научных конференций и опубликованы в рецензируемых изданиях.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на международных и всероссийских конференциях: II Всероссийская научно-практическая конференция молодых ученых «Материалы и технологии XXI века» (Бийск, 2005); Межвузовская конференция «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях» (Бийск, 2005); Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука.Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2005); I Всероссийская научно-техническая конференция молодых ученых «Перспективы создания и применения конденсированных энергетических материалов» (Бийск, 2006); III Всероссийская конференция «Энергетические конденсированные системы» (Черноголовка-Москва, 2006); Международная научно-техническая и методическая конференция «Современные проблемы специальной технической химии» (Казань, 2006); III Всероссийская конференция молодых ученых «Физика и химия
высокоэнергетических систем» (Томск, 2007); IV Международная конференция студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 2007); IV Всероссийская конференция молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (Томск, 2008); II Научно-техническая конференция молодых ученых «Перспективы создания и применения конденсированных энергетических материалов» (Бийск, 2008); III Научно-техническая конференция молодых ученых «Перспективы создания и применения конденсированных высокоэнергетических материалов» (Бийск, 2010).
На защиту выносятся:
разработанный компьютерный метод прогнозирования свойств В ЭК, их компонентов и технологических ПВОМ, созданных на основе методов кластерного анализа и нейросетевых технологий, позволяющий прогнозировать свойства ВЭК, их компонентов и технологических ПВОМ с точностью, соответствующей реализуемой существующими стандартными экспериментальными методами определения рассматриваемых характеристик;
результаты анализа и выбора методов аппроксимации свойств ВЭК, их компонентов и сопутствующих технологиям их создания пожаровзрывоопасных материалов, полученных на основе статистической обработки много параметрических данных;
- обоснование и определение стадий комплексного анализа и прогноза свойств
ВЭК, их компонентов и технологических ПВОМ с учетом специфики их
применения, обеспечивающих точность прогнозирования, соответствующую
реализуемой существующими стандартными экспериментальными методами
определения рассматриваемых характеристик;
обеспечение точности прогноза, соответствующей реализуемой существующими стандартными экспериментальными методами определения рассматриваемых характеристик ВЭК, их компонентов и технологических ПВОМ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ, в том числе 5 работ в изданиях, входящих в перечень рецензируемых журналов и изданий.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, основных результатов работы, списка литературы, включающего 135 источников, и 2 приложений. Работа изложена на 178 страницах машинописного текста, содержит 23 рисунка и 54 таблицы.
