Инженерно-физический метод синтеза технических решений преобразователей энергии - Автореферат

Разработан метод синтеза технических решений ПЭ, в основу которого заложена новая модель ФПД, позволяющая отражать совокупность физических процессов для взаимного преобразования энергии с учетом пространственных и временных факторов, определяющих структуру устройства и набор функций конструктивных элементов, необходимых для синтеза технических решений. Основные положения диссертации докладывались на семинарах кафедр «Автоматические установки», «Автоматизация производственных процессов», «Системы автоматизированного проектирования и поисковое конструирование» и ежегодных научно-технических конференциях Волгоградского государственного технического университета (1990-2007 гг.), семинарах кафедр «Теория и системы управления» Ивановского государственного энергетического университета, «Конструирования и производства радиоаппаратуры» Московского энергетического института (ТУ), межрегиональной научно-практической конференции «Интеллектуальные измерительные системы в промышленности южного региона» (Волжский, 2007 г.), Всероссийских научно-практических конференциях «Перспективные проекты и технологии в энергетике» (Волжский, 2005), «Ресурсо-энергосбережение и эколого-энергетическая безопасность промышленных городов» (Волжский, 2006 гг.), «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности» (Астрахань, 2007 г.), международных научно-технических конференциях «Информационные технологии в образовании, технике и медицине» (Волгоград, 2004, 2006 гг.), «Системные проблемы надежности, качества информационных и электронных технологий в инновационных проектах» (Сочи, 2006 г.), «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе» (Ялта-Гурзуф, 2006, 2007 гг.), «Интеллектуальные системы в науке, технике, образовании, бизнесе» (Дивноморск, 2007 г.). Характерная особенность первого способа - реновационного - состоит в том, что рабочее тело после совершения процессов в определенной последовательности частично или полностью выводится из системы, а взамен него в нее поступают (непрерывно или периодически) новые порции рабочего тела, и процессы повторяются в той же последовательности. Индексы обозначают состояние рабочего тела и порядковый номер характерной точки соответственно: v11 - воздух в компрессоре низкого давления; v22 - воздух в воздухоохладителе; v33 - воздух в компрессоре высокого давления; v44 - воздух в регенераторе; v55,v56 - топливо-воздушная смесь и продукты сгорания в камере сгорания высокого давления; v67 - рабочее тело в турбине высокого давления; v78,v79 - топливо-воздушная смесь и продукты сгорания в камере сгорания низкого давления; v810 - рабочее тело в турбине низкого давления; v911 - выхлопные газы в регенераторе; v1012, v1113-топливо в топливных насосах. SA1 = {а11, а12, а13, а14, а15, а16, а17}, (3) где А1 - наименование реляционной таблицы; SA1 - структура таблицы, включающая атрибуты (заголовки столбцов) а11-а17; а11 - порядковый номер преобразования; а12 - род взаимодействия рабочего тела с источником экстенсора; а13 - вид энергии, сопряженный с взаимодействием на входе; а14 - род взаимодействия рабочего тела с потребителем экстенсора; а15 - вид энергии, сопряженный с взаимодействием на выходе; а16 - описание материальной среды устройства, в которой осуществляется преобразование; а17 - обозначение унитарного преобразователя.В результате диссертационного исследования разработан инженерно-физический метод синтеза технических решений преобразователей энергии, позволяющий существенно повысить производительность труда конструкторов на начальных стадиях проектирования. Теоретической основой и понятийной базой разработанного метода являются положения и абстракции теории сложных термодинамических систем, которая с единой научной позиции рассматривает физические процессы взаимного преобразования энергии. Разработана модель физического принципа действия, позволяющая учитывать сложную последовательность взаимодействий рабочего тела преобразователя энергии в пространстве и во времени, отражать методы преобразования форм движения и способы возврата параметров рабочего тела в исходное состояние. Созданы методики построения таких моделей для двух случаев исходных данных, встречающихся на практике: на основе анализа описания существующего технического решения и на основе описания физического процесса преобразования энергии. Обе методики позволяют инженеру строить модели физического принципа действия самых разнообразных преобразователей энергии.

В результате диссертационного исследования разработан инженерно-физический метод синтеза технических решений преобразователей энергии, позволяющий существенно повысить производительность труда конструкторов на начальных стадиях проектирования.

Теоретической основой и понятийной базой разработанного метода являются положения и абстракции теории сложных термодинамических систем, которая с единой научной позиции рассматривает физические процессы взаимного преобразования энергии.

Основные результаты проведенной работы можно сформулировать следующим образом.

1. Разработана модель физического принципа действия, позволяющая учитывать сложную последовательность взаимодействий рабочего тела преобразователя энергии в пространстве и во времени, отражать методы преобразования форм движения и способы возврата параметров рабочего тела в исходное состояние.

В модели содержится необходимая информация, которая определяет закономерности структурной организации и функции конструктивных элементов проектируемого изделия.

2. Созданы методики построения таких моделей для двух случаев исходных данных, встречающихся на практике: на основе анализа описания существующего технического решения и на основе описания физического процесса преобразования энергии.

В первом случае структура проектируемого преобразователя повторяет структуру его прототипа. Во втором случае структура будущего устройства определяется при построении модели и зависит от принятого способа возврата параметров рабочего тела в исходное состояние.

Обе методики позволяют инженеру строить модели физического принципа действия самых разнообразных преобразователей энергии.

3. Разработана методика эвристической модификации моделей физического принципа действия для улучшения структурной организации проектируемых преобразователей энергии.

Установлена связь большинства эвристических приемов из межотраслевого фонда с математическими операциями, которые можно осуществлять с моделью, как формальным объектом.

Это подтверждает не только адекватность модели, но и позволяет более эффективно применять эвристические приемы по отношению к ней, так как каждому приему сопоставлены математические операции.

4. На основе анализа термодинамических понятий и абстракций (контрольная поверхность, термодинамическая система, обобщенная координата и сила) выявлены элементарные функции конструктивных элементов связанные с элементами модели физического принципа действия. Множество таких функций, выполнение которых необходимо для функционирования преобразователя, определяется моделью.

Функции позволяют осуществить подбор конструктивных элементов, необходимых для реализации физических процессов преобразования энергии и обеспечения непрерывного функционирования преобразователей энергии.

5. Разработана методика формирования множеств технических решений на основе модели физического принципа действия в виде наборов функционально-совместимых конструктивных элементов. Множество технических решений представлено матрицей соответствия множества элементарных функций множеству конструктивных элементов.

Разработан алгоритм поиска возможных технических решений, реализованный на языке С , позволяющий формировать в оперативной памяти вычислительной системы динамические структуры данных виде линейных списков, содержащих указатели на описания конструктивных элементов.

6. Изучена возможность создания на теоретической основе инженерно-физического метода специализированных методов и программно-информационных комплексов, ориентированных на отдельные подклассы преобразователей энергии.

Эффективность работы со специализированными методами повышается за счет возможности создания соответствующих информационных фондов, а также компьютерной поддержки проектирования. В рамках исследования разработан руководящий методический материал и программно-информационный комплекс для поддержки начальных этапов проектирования технологических лазеров на углекислом газе.

Монографии

1.Яковлев, А. А. Инженерно-физический метод синтеза концептуальных технических решений преобразователей энергии: монография / А. А. Яковлев; Волгоград. гос. техн. ун-т. - Волгоград, 2004. - 160 с.

2.Яковлев, А. А. Разработка множеств технических решений установок для преобразования энергии: монография / А. А. Яковлев. - М.: Машиностроение-1, 2007. - 128 с.

Статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК

3.Камаев, В. А. Моделирование физических принципов действия и формирование множеств технических решений преобразователей энергии / В. А. Камаев, А. А. Яковлев // Информационные технологии. - 2006. - № 1. - С. 2-8.

4.Камаев, В. А. Обучение концептуальному проектированию преобразователей энергии на базе системного подхода / В. А. Камаев, А. А. Яковлев // Открытое образование. - 2005. - № 5 (52). - С. 62-69.

5.Шевчук, В. П. Метод синтеза концептуальных технических решений преобразователей энергии / В. П. Шевчук, А. А. Яковлев // Промышленная энергетика. - 2006. - № 3. - С. 41-46.

6.Яковлев, А. А. Инженерно-физический подход к проектированию преобразователей энергии / А. А. Яковлев // Справочник. Инженерный журнал. - 2006. - № 2. С. 32-38.

7.Яковлев, А. А. Методика проектирования преобразователей энергии на этапе разработки физического принципа действия / А. А. Яковлев // Справочник. Инженерный журнал. - 2006. - № 12. С. 21-25.

8.Яковлев, А. А. Метод построения моделей физических принципов действия преобразователей энергии / А. А. Яковлев // Известия вузов. Машиностроение. - 2005. - № 10. - С. 22-28.

9.Яковлев, А. А. Метод синтеза технических решений двигателей внутреннего сгорания на начальных стадиях проектирования / А. А. Яковлев // Двигателестроение. - 2005. - № 3 (221). - С. 26-31.

10.Яковлев, А. А. О системном подходе к формированию множеств технических решений преобразователей энергии / А. А. Яковлев // Известия вузов. Машиностроение. - 2005. - № 7. - С. 44-50.

11.Яковлев, А. А. Поиск перспективных вариантов при проектировании двигателей / А. А. Яковлев // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2006. - № 9. - С. 24-26.

12.Яковлев, А. А. Построение моделей физического принципа действия для конструирования двигателей / А. А. Яковлев // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2006. - № 7. - С. 28-30.

13.Яковлев, А. А. Синтез моделей физического принципа действия преобразователей энергии с газообразным рабочим телом / А. А. Яковлев // Информационные технологии. - 2006. - № 3. - С. 23-28.

14.Яковлев, А. А. Системный подход к разработке новых двигателей / А. А. Яковлев // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2005. - № 12. - С. 13-17.

15.Яковлев, А. А. Метод синтеза технических решений технологических лазеров на углекислом газе / А. А. Яковлев // Известия Волгоградского государственного технического университета: межвузовский сб. науч. ст. № 2(17)/ ВОЛГГТУ. - Волгоград, 2006. (Сер. Концептуальное проектирование в образовании, технике и технологии. Вып. 2). - С. 118-120.

16.Яковлев, А. А. Синтез технических решений технологических газовых лазеров / А. А. Яковлев, Р. В. Лещенко // Известия Волгоградского государственного технического университета: межвузовский сб. науч. ст. № 5(20)/ ВОЛГГТУ. - Волгоград, 2006 (Сер. Автоматизация технологических процессов в машиностроении. Вып. 3). - С. 14-16.

17.Яковлев, А. А. Системный подход к разработке технических решений энергоустановок на начальных этапах проектирования / А. А. Яковлев // Известия Волгоградского государственного технического университета: межвузовский сб. науч. ст. № 2(17)/ ВОЛГГТУ. - Волгоград, 2006. (Сер. Концептуальное проектирование в образовании, технике и технологии. Вып. 2). С. 120-123.

18.Яковлев, А. А. Способы модификации топологии графов моделей физического принципа действия преобразователей энергии / А. А. Яковлев // Известия Волгоградского государственного технического университета: межвузовский сб. науч. ст. № 2(11)/ ВОЛГГТУ. - Волгоград, 2005 (Сер. Автоматизация технологических процессов в машиностроении. Вып. 2). С. 51-53.

19.Яковлев, А. А. Формализация описания физических принципов действия преобразователей энергии / А. А. Яковлев // Известия Волгоградского государственного технического университета: межвузовский сб. науч. ст. № 2(11)/ ВОЛГГТУ. - Волгоград, 2005 (Сер. Автоматизация технологических процессов в машиностроении. Вып. 2). С. 14-16.

20.Яковлев, А. А. Формирование множеств концептуальных технических решений преобразователей энергии / А. А. Яковлев // Известия Волгоградского государственного технического университета: межвузовский сб. науч. ст. № 5(20)/ ВОЛГГТУ. - Волгоград, 2006 (Сер. Автоматизация технологических процессов в машиностроении. Вып. 3). С. 9-13.

Статьи в других изданиях

21.Яковлев, А. А. Разработка матрицы технических решений преобразователей энергии и алгоритм формирования списков функционально-совместимых конструктивных элементов / А. А. Яковлев // Справочник. Инженерный журнал. - 2007. - № 10. С. 34-39.

22.Дудкин, Е. В. Влияние тепловых потоков на стойкость инструмента при разрезке труб с применением СОЖ / Е. В. Дудкин, А. А. Яковлев, К. С. Шахназарян // Автоматизация технологических процессов в машиностроении: Межвуз. сб. науч. тр. / ВОЛГГТУ, Волгоград, 1997. С. 81-85.

23.Шостенко, С.В. Повышение точности следящей пневмосистемы управления положением сварочной горелки / С.В. Шостенко, А. А. Яковлев Автоматизация технологических процессов в машиностроении: Межвуз. сб. науч. тр. / ВОЛГГТУ, Волгоград, 1998. С. 108-112.

24.Яковлев, А. А. Автоматизация поиска улучшенных вариантов технических решений преобразователей энергии / А. А. Яковлев // Известия Волгоградского государственного технического университета: межвузовский сб. науч. ст. № 1(27) / ВОЛГГТУ. - Волгоград, 2007. (Сер. Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах. Вып. 1). - С. 115-117.

25.Яковлев, А. А. Алгоритм синтеза графов физических принципов действия преобразователей энергии / А. А. Яковлев, А. В. Широкий // Автоматизация технологических процессов в машиностроении: Межвуз. сб. науч. тр. ВОЛГГТУ, Волгоград, 1999. С. 114-117.

26.Яковлев, А. А. Алгоритм формирования технических решений энергоустановок/ А. А. Яковлев // Ресурсо-энергосбережение и эколого-энергетическая безопасность промышленных городов: Материалы Всероссийской научно-практической конференции / Сборник научных статей. - Волжский: Филиал ГОУ ВПО «МЭИ (ТУ)» в г. Волжском, 2007. С. 10-13.

27.Яковлев, А. А. Использование математических операций над графами для получения улучшенных технических решений преобразователей энергии / А. А. Яковлев, А. В. Широкий // Автоматизация технологических процессов в машиностроении: Межвуз. сб. науч. тр. ВОЛГГТУ, Волгоград, 2000. С. 42-47.

28.Яковлев, А. А. Использование термодинамического подхода для выявления закономерностей функционального строения газовых устройств / А. А. Яковлев // В сб.: Системное проектирование и закономерности развития техники. - Волгоград: ВОЛГГТУ, 1993. - С. 127-129.

29.Яковлев, А. А. Методика проектирования преобразователей энергии на этапе разработки физического принципа действия / А. А. Яковлев // Информационные технологии в науке, социологии, экономике и бизнесе. IT S&E’07 (майская сессия), Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 20-30 мая, 2007 г.: Мат. XXXIV междунар. конф. и дискуссионного научного клуба. / Российская Академия Наук и др. Приложение к журналу «Открытое образование». - Запорожье: Изд-во Запорожского национального университета, 2007. - С. 463-465.

30.Яковлев, А. А. Моделирование физических принципов действия и формирование множеств технических решений преобразователей энергии / А. А. Яковлев // Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ - 2007» / Материалы Всероссийской научной конференции 18-20 апреля 2007 г.: в 2 ч. Часть 1. - Астрахань: Издательский дом «Астраханский университет», 2007. - С. 32-36.

31.Яковлев, А.А. Моделирование физических принципов действия и формирование множеств технических решений преобразователей энергии / А.А. Яковлев // Интеллектуальные системы (AIS"07). Интеллектуальные САПР (CAD-2007): тр. междунар. н.-т. конфций, Дивноморское, 3-10 сент. 2007 / Технол. ин-т ФГОУ ВПО "Южный федеральный ун-т" [и др.]. - М., 2007. - Т.III. - С. 126-130.

32.Яковлев, А. А. Моделирование физических принципов действия и формирование множеств технических решений преобразователей энергии / А. А. Яковлев // Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе. IT S&E’06 (майская сессия), Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 20-30 мая, 2006 г.: Мат. XXXIII междунар. конф. и IV междунар. конф. мол. уч. / Российская Академия Наук и др. Приложение к журналу «Открытое образование». - Запорожье: Изд-во Запорожского национального университета, 2006. - С. 131-132.

33.Яковлев, А. А. Моделирование физических принципов действия и формирование множеств технических решений преобразователей энергии / А. А. Яковлев // Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика 2006). / Материалы Международной конференции и Российской научной школы. Часть 4. Том 1 М.: Радио и связь, 2006. - С. 368-371.

34.Яковлев, А. А. Порядок разработки моделей физического принципа действия преобразователей энергии / А. А. Яковлев // Известия Волгоградского государственного технического университета: межвузовский сб. науч. ст. № 1(27) / ВОЛГГТУ. - Волгоград, 2007. (Сер. Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах. Вып. 1). - С. 117-120.

35.Яковлев, А. А. Принципы автоматизированной разработки моделей преобразователей энергии / А. А. Яковлев, С. В. Шостенко // Автоматизация технологических процессов в машиностроении: Межвуз. сб. науч. тр. ВОЛГГТУ, Волгоград, 1998. С. 127-136.

36.Яковлев, А. А. Принципы автоматизированной разработки струкурно-функциональных моделей энергетических устройств / А. А. Яковлев, Е. В. Дудкин // Автоматизация техноогических процессов в машиностроении: Межвуз. сб. науч. тр. ВОЛГГТУ, Волгоград, 1995. С. 203 - 211.

37.Яковлев, А. А. Разработка интеллектуальной программы синтеза технических решений технологических лазеров на углекислом газе. Тезисы докладов 1 межвузовской научно-практической конференции студентов и молодых ученых Волгоградской обл. Выпуск «Новые промышленные техника и технологии. Компьютерное обеспечение и компьютерные технологии / А. А. Яковлев; Волгоград. гос. техн. ун-т. - Волгоград: Перемена, 1994. С. 170-172.

38.Яковлев, А. А. Разработка формализованных описаний физических принципов действия преобразователей энергии / А. А. Яковлев // Концептуальное проектирование в образовании, технике и технологии: Сб. науч. тр. / ВОЛГГТУ, Волгоград, 1999. С. 134-139.

39.Яковлев, А. А. Устройство охлаждения заготовок при обработке на металлорежущих станках в условиях «сухой электростатической смазки». / А. А. Яковлев, В. И. Петренко, Е. В. Дудкин // Автоматизация технологических процессов в машиностроении: Межвуз. сб. науч. тр. Часть 1 / ВОЛГГТУ, Волгоград, 1997. С. 106-111.

40.Яковлев, А. А. Формализация описания физического принципа действия энергетических устройств / А. А. Яковлев // Автоматизация технологических процессов в машиностроении: Межвуз. сб. науч. тр. ВОЛГГТУ, Волгоград, 1994. С. 172 - 178.

41.Яковлев, А. А. Формализация описания физических принципов действия энергоустановок / А. А. Яковлев // Перспективные проекты и технологии в энергетике: Материалы межрегиональной юбилейной научно-практической конференции, посвященной 75-летию ГОУ ВПО «МЭИ (ТУ)» и 10-летию филиала ГОУ ВПО «МЭИ (ТУ)» в г. Волжском / Сборник научных статей. - Волжский: Филиал ГОУ ВПО «МЭИ (ТУ)» в г. Волжском, 2005. С. 243-249.

42.Яковлев, А. А. Формирование множеств технических решений преобразователей энергии / А. А. Яковлев // Информационные технологии в образовании, технике и медицине: материалы международной конференции. / ВОЛГГТУ, - Волгоград, 2006. С. 193-195.

43.Яковлев, А. А. Эвристическая модификация моделей физического принципа действия преобразователей энергии / А. А. Яковлев, Е. В. Сыпачева // Известия Волгоградского государственного технического университета: межвузовский сб. науч. ст. № 4(30)/ ВОЛГГТУ. - Волгоград, 2007 (Сер. Прогрессивные технологии в машиностроении. Вып. 3). С. 114-117.

44.Яковлев, А.А. Modelling of physical principles of action and formation of sets of technical decisions converters of energy / A.A. Яковлев // Intelligent Systems (AIS"07). Intelligent CAD"s (CAD-2007), Divnomorskoe (Russia), September, 3-10: proc. (abstr. = тезисы) of Int. Scientific Conference / Юж. Федерал. ун-т [и др.]. - М., 2007. - Vol. 4. - С. 146. - Англ.

Депонированные материалы

45.Петренко, В. И. Инженерно-физический подход к системному проектированию газовых устройств / В. И. Петренко, А. А. Яковлев. ВОЛГПИ. - Волгоград, 1988. - 12 с. - Деп. в ВИНИТИ 15.11.88, № 8101.

46.Петренко, В. И. Системное проектирование физических принципов действия газовых устройств на основе термодинамического метода / В. И. Петренко, А. А. Яковлев. ВОЛГПИ. - Волгоград, 1988. - 10 с. Деп. в ВИНИТИ 15.11.88, № 8102.

47.Петренко, В. И. Теоретические основы синтеза принципиальных схем газовых устройств / В. И. Петренко, А. А. Яковлев. ВОЛГПИ. - Волгоград, 1988. - 32 с. - Деп. в ВИНИТИ 07.05.90 № 2412.

48.Петренко, В. И. Теоретические основы системы синтеза физических принципов действия газовых устройств / В. И. Петренко, А. А. Яковлев. ВОЛГПИ. - Волгоград, 1988. - 32 с. - Деп. в ВИНИТИ 14.11.89 № 6822.

Патентные документы, программы для ЭВМ

49.А.с. № 1404451 СССР, МКИ В66 F 1/08. Гидравлический домкрат / Г. Д. Вавилин, С. В. Суслов, А. А. Яковлев, Н. Л. Полушина (СССР). - 9 с.: ил.

50.А.с. № 1444992 СССР, МКИ В66 F 3/24. Гидравлический домкрат / В. И. Нечай-Ницевич, А. А. Яковлев, В. В. Бударин, А. С. Романовский (СССР). - 5 с.: ил.

51.А. с. № 288674 СССР. В. И. Петренко, В. М. Соболев, Н. Н. Бирюков, А. А. Яковлев (СССР).

52.А. с. № 289827 СССР. В. И. Петренко, В. М. Соболев, Н. Н. Бирюков, А. А. Яковлев (СССР).

53.А. с. № 290266 СССР. В. И. Петренко, А. В. Бешанов, Н. Н. Бирюков, А. А. Яковлев (СССР).

54.А. с. № 306712 СССР. А. А. Яковлев, В. И. Петренко, Н. Н. Бирюков (СССР).

55.А.с. № 317660 СССР. В. И. Нечай-Ницевич, С. В. Суслов, А. С. Романовский, А. А. Яковлев (СССР).

56.Яковлев, А. А. Программа синтеза технических решений установок для преобразования энергии / А. А. Яковлев, Е. В. Сыпачева. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2007613773, зарегистрировано 5.09.07.

Размещено на .ru