УДК 69:519.7

КОНСТРУИРОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОМПОЗИТОВ: КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Данилов Александр Максимович1, Нугаев Альберт Сергеевич2
1Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, д.т.н., профессор
2Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, магистрант

Аннотация
Рассматриваются проблемы синтеза и компьютерного моделирования строительных материалов как сложных систем. Приводится пример модели сложной системы как совокупности частных моделей с результатами компьютерного моделирования.

Ключевые слова: композиты, компьютерное моделирование, модели, сложные системы, частные модели


DEVELOPMENT OF BUILDING COMPOSITES: COMPUTER TECHNOLOGY, PRESENT AND FUTURE

Danilov Alexander Maksimovich1, Nugaev Albert Sergeevich2
1Penza state university of architecture and construction, doctor of science in engineering, professor
2Penza state university of architecture and construction, undergraduate

Abstract
The problems of synthesis and simulation of building materials as complex systems considered. Example of a model of a complex system as a set of partial models with computer simulation results is given.

Keywords: complex systems, composites, computer simulation, models, partial models


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Данилов А.М., Нугаев А.С. Конструирование строительных композитов: компьютерные технологии, состояние и перспективы // Современные научные исследования и инновации. 2014. № 11. Ч. 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2014/11/40491 (дата обращения: 29.09.2017).

Одним из направлений математического моделирования является использование информационных компьютерных технологий для решения прикладной научно-технической задачи [1…6]. С методологической точки зрения моделирование есть метод научного познания. При замене реального объекта или процесса его формальным описанием (формализация) исследователем отбрасываются несущественные для изучения объекта характеристики. Выбор характеристик объекта-оригинала, которые при этом сохраняются и войдут в модель, определяется целями моделирования. Основное требование, предъявляемое к моделям, состоит в адекватном описании реальных процессов или объектов, которые замещает модель. В математической модели существенные черты объекта или процесса определяются на языке уравнений или других математических средств. Компьютерное моделирование состоит из серии вычислительных экспериментов для анализа, интерпретации и сопоставления результатов моделирования с реальным поведением изучаемого объекта а, при необходимости, последующего уточнения модели. При математическом моделировании не всегда требуется компьютерная поддержка. Более того, всегда отдается предпочтение аналитическим методам исследования модели перед численными методами. К сожалению, практическая реализация аналитических методов часто сопряжена с большими трудностями, что и приводит к необходимости использования численных методов и компьютерного моделирования. Аналитические методы и компьютерное моделирование не только не противостоят друг другу, но их взаимное проникновение способствует лучшему пониманию исследуемых процессов в динамике (например, системы визуализации). Все это и определяет компьютерное моделирование как один из основных методов познания в научных и практических исследованиях. Ограничимся некоторыми приложениями указанных методов к разработке композиционных материалов специального назначения с заранее заданными свойствами. Экспериментальное определение их свойств требует проведения большого объема дорогостоящих исследований; налицо необходимость построения теоретических моделей для определения усредненных значений параметров материалов и описания процессов формирования их физико-механических характеристик. Так, математическая модель, описывающая поведение неоднородной композиционной среды, включает ряд уравнений с быстро меняющимися коэффициентами, которые характеризуют свойства отдельных компонентов материала. К сожалению, ее использование требует решения краевых задач (возникают большие трудности даже при использовании современных вычислительных комплексов). Нужны модели, сводящиеся к более простым уравнениям с некоторыми усредненными коэффициентами. Естественно, решение соответствующей краевой задачи должно быть близким к решению исходной. 
Известны немногочисленные попытки получения аналитических зависимостей для определения свойств компонентов композиционных материалов и их концентрации в смеси со свойствами готового композита.Такие зависимости принципиально позволяют определить и концентрацию, и гранулометрические характеристики ингредиентов материала в зависимости от предъявляемых к нему требований; известна методика определения критической концентрации (зависимость критической объёмной концентрации от среднего значения гранулометрического состава заполнителя). Методами математического моделирования и оптимизации определяется эффективная прочность композитных материалов (некоторая усреднённая прочность материала в целом). Здесь же предлагается программа, позволяющая определить концентрацию, гранулометрический состав заполнителя и желаемую прочность материала, исходя из прочности чистого вяжущего, диапазона разброса гранулометрического состава заполнителя и значения желаемой прочности композита.Перспективность компьютерного материаловедения для создания композитных материалов с высокими эксплутационными свойствами, долговечностью и надежностью очевидна Это и изучение процессов формирования структуры композитных материалов, и влияние характера распределения заполнителя на свойства материалов. Возможно изучение теплопроводности, электропроводности и диэлектрических свойств композитов. Известны и работы по изучению процесса возникновения дефектов в композитных материалах (трещины, поры, раковины и т. п.) и оптимизации составов композитов (исходя из минимума трещинообразования, заданной пористости и др.).
В настоящее время при синтезе композиционных материалов используется некий симбиоз аналитических методов и компьютерного моделирования. С учетом собственного опыта и опыта работы других авторов по синтезу композитов можно рекомендовать методику, включающую:
- моделирование отдельных свойств;
-определение параметров для характеристики моделей;
- установление связей параметров моделей от рецептурно-технологических характеристик;
- определение зависимостей свойств от рецептурно-технологических параметров (метапараметров ; функции параметров модели);
- ранжирование свойств материалов;
- определение множества частных критериев;
- минимизацию размерности критериального пространства;
- многокритериальную оптимизацию качества материала с определением оптимальных рецептурно-технологических параметров.
Свойства определяются как интегральные характеристики многофазного материала (состоит из двух и более компонент; между компонентами существуют границы раздела; один из компонентов – матрица (связующее) – связным образом заполняет пространство; другие компоненты (включения) занимают изолированные области) в зависимости от параметров матрицы (связующего), размеров включений и расстояний между ними. Обычно размеры включений и расстояния между ними по сравнению с молекулярными можно считать достаточно большими, но по сравнению с характерными размерами материала – малыми ( однородность композита в макроскопическом масштабе (размеры рассматриваемого тела) и неоднородность в микроскопическом; дисперсный (гранулированный) композит состоит из включений (зерен) со всеми одинаковыми размерами).
Разработана подробная методика определения свойств композитов через параметры кинетических процессов формирования эксплуатационных характеристик. 
Несмотря на определенные трудности в интерпретации многофакторных экспериментально-статистических моделей свойств материалов, нельзя недооценивать их роль при составлении когнитивной карты, ранжировке частных критериев и оптимизации (в том числе векторной) характеристик материала. 
Ценность разработанной модели определяется тем, насколько правильно она описывает процессы и зависимости в композите, как в сложной системе; пределы применимости модели определяются гипотезами, лежащими в ее основе.
Перспективным является построение таких теоретических моделей композиционных материалов, которые позволят определять их осредненные характеристики с описанием локальных особенностей.
Свойства исследуются c использованием одной или нескольких узко-ориентированных моделей; наращивание множества упрощенных моделей производится по мере необходимости. В частности, при синтезе серных композиционных материалов частные критерии выбираются исходя из технического задания. Основными моделями являются аналитические зависимости, определенные на основе экспериментальных данных и используемые для описания отдельных свойств. 
Так, модель подвижности смеси [7] используется для описания структурных преобразований в композите, оказывающих существенное влияние на подвижность смеси в зависимости отношения от степени наполнения:

.
(1)

Что касается прочности композиционных материалов от степени наполнения ,то чем больше дисперсность наполнителя (не зависит от химической активности), тем при меньшей степени наполнения достигается максимальная прочность материала. Если в композите отсутствуют структурные преобразования,то влияние границы раздела фаз «дисперсная фаза – вяжущее вещество» минимально. Зависимость свойств композита от содержания дисперсной фазы подчиняется правилу смесей (закон аддитивности). Вовлекаемый воздух является дополнительной дисперсной фазой. В ряде случаев прочность увеличивается при значениях, не превосходящих , или происходят качественные структурные преобразования: образование разветвлённого граничного слоя вяжущего, имеющего повышенные показатели свойств.
Прочность зависит от структуры и фазового состава (наполнитель (дисперсная фаза твёрдых частиц), вяжущее (матрица), воздушные поры (дисперсная фаза воздушных включений)):

+ = .

В общем случае восходящая ветвь зависимости  от характеристик и содержания наполнителя имеет вид:

; (2′)
 ;

При степенях наполнения, превосходящих , наблюдается постепенное уменьшение прочности композита. Прочность на нисходящей ветви  определяется в виде:

,
(2”)

.
В серных материалах пористость  определяется уменьшением объёма (на 14,1%) серы при переходе из жидкого состояния в твёрдое. В процессе изготовления композитов сера частично взаимодействует с наполнителем с образованием сульфидов и газообразного диоксида серы, что также способствует возникновению пор.
Для пористости на границе раздела фаз справедливо

с введением наполнителя уменьшается. 
При  пористость серного материала возрастает (дефицит вяжущего приводит к образованию в серном материале агрегатов из не смоченных частиц наполнителя), а именно:

.
(3)

Для радиационно-защитных композитов важно получение модели радиационного разогрева при ионизирующем излучении. Достаточно подробно этот вопрос рассматривается в [7,8]. В частности модель имеет вид :

,
(4)

если температурное поле – равномерное; толщина h конструкции – постоянна (стационарный режим – при ).


Библиографический список
  1. Гарькина И.А., Данилов А.М., Смирнов В.А. Флокуляция в дисперсных системах / Системы управления и информационные технологии. – 2008.  – № 2.3(32).  – С.344-347.
  2. Гарькина И.А., Данилов А.М., Сорокин Д.С. Синтез композиционных материалов с позиций классической теории оптимального управления /Фундаментальные исследования.- 2014. - № 9-7. – С. 1411-1416.
  3. Гарькина И.А., Данилов А.М., Королев Е.В. Когнитивное моделирование сложных слабоструктурированных систем: пример реализации / Региональная архитектура и строительство. – 2008. - № 2.-  С. 16-21.
  4. Будылина Е.А., Гарькина И.А., Данилов А.М., Сорокин Д.С. Синтез композитов: логико-методологические модели // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 5; URL:http://www.science-education.ru/119-14283
  5. Данилов А.М., Гарькина И.А., Смирнов В.А., Королева О.В. Математические методы при разработке и управлении качеством материалов специального назначения / Строительные материалы.  –  2010.  №3. –  C.112-117.
  6. Гарькина И.А. Формализация оценки структуры и свойств композиционных материалов специального назначения / Строительные материалы. – 2007.– № 1. – С. 70-72.
  7. Альбакасов А.И., Гарькина И.А., Данилов А.М., Королев Е.В. Оптимизация систем со сложной иерархией / Вестник гражданских инженеров. – 2012. -№ 2. – С. 324-327.
  8. Альбакасов А.И., Гарькина И.А., Данилов А.М., Королев Е.В. Управление структурой и свойствами наномодифицированных строительных материалов / Региональная архитектура и строительство. – 2011. – № 2.  – С. 9-17.


Все статьи автора «fmatem»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: