авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

Моделирование и интегрированное проектирование систем индукционного нагрева сопряженных физически неоднородных объектов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Базаров Александр Александрович

Моделирование и интегрированное проектирование систем индукционного нагрева сопряженных

физически неоднородных объектов

Специальность 05.09.10 Электротехнология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Самара 2010

Работа выполнена на кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет».

Научный консультант: заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор

Рапопорт Эдгар Яковлевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кувалдин Александр Борисович

доктор технических наук, профессор

Демидович Виктор Болеславович

доктор технических наук, профессор

Лившиц Михаил Юрьевич

Ведущая организация: Саратовский государственный технический

университет (г. Саратов)

Защита диссертации состоится 25 мая 2010 г. в 10 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 при Самарском государственном техническом университете (СамГТУ) по адресу: г. Самара, ул. Первомайская, д. 18, корпус №1, ауд. 4А.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим направлять по адресу: 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская 244, СамГТУ, Главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.04; тел.: (846) 278-44-96, факс (846) 278-44-00; e-mail: krotkov@samgtu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СамГТУ.

Автореферат разослан «___» ____________ 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного
совета Д 212.217.04
кандидат технических наук, доцент
Е.А.Кротков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Применение электротермического оборудования дает возможность интенсифицировать технологические процессы с одновременным улучшением качества продукции и, во многих случаях, снижением материало- и энергоемкости. Среди различных видов электронагрева видное место занимает индукционный нагрев (ИН) материалов, который имеет ряд преимуществ перед другими видами нагрева.

Большой вклад в развитие теории и техники индукционного нагрева внесли (В.П. Вологдин, А.Е. Слухоцкий, А.В. Донской, А.С. Васильев, В.А. Бодажков, А.Н. Шамов, В.С. Немков, К.З. Шепеляковский, И.Н. Кидин, А.Б. Кувалдин, А.М. Вайнберг, В.С. Чередниченко, С.В. Дресвин, В.Б. Демидович, Л.С. Зимин и др.).

Методы проектирования конструкций индукционных нагревателей и синтез систем управления базируются на математических моделях электромагнитных и тепловых процессов с соответствующими методами решения, на теории управления и методах оптимизации. Разработке математических моделей посвящено множество работ. Аналитические модели, разработанные такими учеными как В.П. Вологдин, А.Е. Слухоцкий, А.В.Лыков, Беляев Н.М., позволили решить большой объем задач проектирования технологических установок. Вместе с тем, усложнение задач за счет учета нелинейности моделей, более сложной геометрической формы нагреваемых тел потребовало применения численных методов, таких как метод интегральных уравнений, метод конечных разностей и конечных элементов. Большой вклад в развитие этих методов внесли как зарубежные ученые (Норри Д., де Фриз Ж., Сегерлинд Л., Зенкевич О.), так и отечественные (Самарский А.А., Немков В.С., Демидович В.Б., Демирчян К.С.). На базе теоретических разработок создано немало профессиональных программ, позволяющих решать задачи моделирования в различных областях знания (Maxwell, Nastran, Ansys, Femlab, Cedrat Flux, Elcut). Указанные программы служат мощным инструментом при оптимальном проектировании систем нагрева с помощью встроенных или внешних алгоритмов оптимизации.



Сочетание численных методов расчета и поисковых процедур оптимизации дает возможность решать различные задачи проектирования.

В то же время существует целый класс объектов нетрадиционных для ИН (по физической структуре, форме и т.д.), для которых применение ИН весьма эффективно.

Современные задачи проектирования и управления требуют более точных моделей процессов на всех стадиях, начиная с этапа эскизного проектирования, заканчивая программированием модели в контуре управления. Повышение точности численных моделей за счет увеличения числа элементов приводит к росту объемов вычислений. Еще более остро стоит проблема при решении оптимизационных задач, использующих численные модели. Поэтому часто задачи проектирования и синтеза управления разделяются именно из-за проблемы больших объемов вычислений. Для повышения эффективности процесса расчета необходимо совершенствование алгоритмов проектирования, сочетающих процедуры поиска оптимальной конструкции и оптимального режима функционирования системы управления. Объединение задач проектирования конструкции и синтеза системы управления должно производиться не за счет механического увеличения размерности, а за счет эффективного обмена результатами расчетов между подзадачами при использовании многошаговых процедур.

Совершенствование методик расчета индукционных нагревателей, а также синтеза систем управления и конструкций индукторов для специализированных установок позволяет повысить производительность установок ИН, качество управления процессом, экономию электроэнергии.

Для решения указанных задач требуется разработка алгоритмов решения комплексных задач проектирования и синтеза управления и создание для этого адаптированных математических моделей на базе современной вычислительной техники, на что и направлена настоящая работа.

Цель работы. Разработка математических моделей процессов и алгоритмов интегрированного проектирования систем индукционного нагрева сопряженных физически неоднородных объектов (СФНО) в специальных электротехнологиях с учетом требований и условий эксплуатации, а также конструкций оборудования, систем питания.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Разработка комплекса математических моделей для расчета процессов нагрева многослойных тел с подвижной и неподвижной внутренней средой, для тел вращения сложной формы.

2. Разработка алгоритма интегрированного проектирования систем индукционного нагрева сопряженных физически неоднородных объектов.

3. Разработка методики интегрированного проектирования систем индукционного нагрева для специализированных электротехнологических установок.

4. Разработка и оптимизация по базовым технико-экономическим Критериям эффективности конструкций и режимов работы для специализированных индукционных установок для объектов, характеризующихся физически неоднородной структурой, сложной формой и.т.д.

Методы исследования. Исследования электромагнитных и тепловых процессов систем индукционного нагрева проводились с помощью компьютерного моделирования методами математической физики и вычислительной математики. Разработанные математические модели базируются на методах: конечных элементов, оптимизации, численного интегрирования и их комбинациях. Экспериментальные исследования проводились с использованием разработанных методик на специальных установках и стендах.

Обоснованность и достоверность полученных в диссертационной работе научных результатов, выводов и рекомендаций обеспечивается корректным использованием применяемого математического аппарата, теории оптимального проектирования и оптимального управления и методов математического моделирования СРП. Справедливость выводов относительно адекватности используемых математических моделей, достоверности, работоспособности и эффективности предложенных алгоритмов интегрированного проектирования подтверждена результатами математического моделирования и промышленными экспериментами.

Научная новизна работы определяется тем, что она расширяет и углубляет теоретические представления об общих закономерностях проектирования оптимальных конструкций и режимов работы систем индукционного нагрева для сопряженных физически неоднородных объектов; предлагает новые алгоритмы совместного использования процедур оптимального проектирования и синтеза систем управления; устанавливает способы адаптации общих подходов интегрированного проектирования применительно к целому ряду прикладных задач с СФНО, представляющих самостоятельный интерес.

В работе получены следующие основные научные результаты в указанном направлении:

1. Выявлены качественные и количественные закономерности взаимосвязанных процессов внутреннего тепловыделения, тепло- и массопереноса в сопряженных физически неоднородных средах с относительным движением сред, отличающиеся от известных тем, что позволяют в ходе проектирования обоснованно корректировать постановку задачи для достижения заданного функционала качества.

2. Разработаны комплексные математические модели взаимосвязанных электромагнитных, тепловых, термогидравлических и термоупругих процессов при индукционном нагреве сопряженных физически неоднородных объектов, учитывающие взаимное влияние различных процессов и отличающиеся возможностью оперативного взаимного обмена результатами расчетов при переходе от задач проектирования к задачам синтеза систем управления.

3. Разработаны алгоритмы и методики оптимального интегрированного проектирования конструктивных и режимных параметров систем индукционного нагрева объектов сложной структуры с неоднородными физическими свойствами, обеспечивающие достижение заданных показателей качества системы и отличающиеся от известных методов многокритериального оптимального проектирования снижением вычислительных затрат.

4. Выполнен системный анализ проблемы интегрированного проектирования нагревателей для косвенного индукционного нагрева неэлектропроводных материалов и разработан эффективный численный метод расчета параметров и режимов нагрева на основе итерационного решения комплексной задачи оптимального управления и оптимизации конструктивных характеристик электротехнологических установок, отличающийся использованием процедур для перехода от конечно-элементных моделей к многомерным аппроксимациям систем с распределенными параметрами с последующим применением теории управления для систем с сосредоточенными параметрами, что существенно упрощает задачи синтеза.

Научная значимость работы. В диссертации разработан новый конструктивный метод оптимального интегрированного проектирования систем индукционного нагрева сопряженных физически неоднородных объектов, представляющий собой методологическую основу построения алгоритмов оптимизации по основным технико-экономическим критериям широкого круга специальных технологических процессов с гарантированными качественными показателями.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

На основе предложенного алгоритма интегрированного проектирования разработана инженерная методика решения комплекса задач по оптимальному проектированию индукционных нагревателей и режимов их работы.

Разработанные связанные математические модели позволяют решать комплексные задачи исследования электротепловых, термогидродинамических процессов для стационарных и нестационарных режимов с учетом нелинейностей и сложных условий теплообмена.

Разработаны методики и модели для проектирования конструкций и режимов работы установок по расснаряжению боеприпасов, установок по подогреву вязких нефтепродуктов перед транспортировкой, систем индукционного нагрева на стендах для термоциклических испытаний дисков.





Основные положения, выносимые на защиту:

- Комплексные математические модели взаимосвязанных электромагнитных, тепловых, термогидравлических и термомеханических процессов сопряженных объектов физически неоднородной структуры, позволяющие эффективно решать задачи исследования и оптимального проектирования;

- Закономерности взаимосвязанных процессов внутреннего тепловыделения, тепло- и массопереноса в сопряженных физически неоднородных средах с относительным движением сред, обеспечивающие ускорение поиска конструктивных параметров систем индукционного нагрева;

- Методика интегрированного проектирования конструктивных и режимных параметров индукционных нагревателей сопряженных объектов с неоднородными физическими свойствами на основе итерационного решения комплексной задачи.

- Конструкции индукционных систем и режимы их работы в технологических установках по расснаряжению боеприпасов, по подогреву вязких нефтепродуктов, на стендах для термоциклических испытаний дисков.

Апробация работы. Результаты работы были доложены и обсуждены на следующих основных международных конгрессах, конференциях, симпозиумах, коллоквиумах, семинарах и совещаниях:

XI Краевой конференции по автоматике (Польша, Белосток-Беловеж, 1991), международных научно-технических конференциях «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (Бенардосовские чтения) (Иваново, 2003, 2005, 2006), V и VI Международных научных конференциях «Эффективность и качество электроснабжения промышленных предприятий» (Мариуполь, Украина, 2005, 2008), VIII Международной конференции «Проблемы управления и моделирования в сложных системах» (Самара: Самарский научный центр РАН, 2006), 3-го международного форума (8-ой международной конференции) «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, СамГТУ, 2007), XII Международной конференции «Электромеханика, электротехнология, электротехнические материалы и компоненты» МКЭЭЭ-2008, (Украина, Крым, Алушта, 2008), (9)

VII Всесоюзной конференции «Теплофизика технологических процессов» (Тольятти, 1988), Всесозной научно-технической конференции «Повышение качества и надежности продукции, программного обеспечения ЭВМ и технических средств обучения» (Куйбышев, 1989), Межотраслевой научно-технической конференции «Проблемы функциональной диагностики газотурбинных двигателей и их элементов» (Москва-Харьков-Рыбачье, 1990), XI Всесоюзной научно-технической конференции «Применение токов высокой частоты в электротехнологии» (Ленинград, 1991), десятой межвузовской конференции. «Математическое моделирование и краевые задачи» (Самара, 2000), Всероссийских научных конференциях «Математическое моделирование и краевые задачи» (Самара, СамГТУ, 2004, 2006, 2007, 2008), I и II Всероссийских научно-технических конференциях «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (Тольятти, 2004, 2007), Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий» (Екатеринбург, 2006), (13)

областной научно-технической конференции «Автоматизация и комплексная механизация технологических процессов» (Сызрань,1987).

Реализация результатов работы.

Полученные в работе теоретические закономерности и практические результаты использованы

  • при выполнении фундаментальных НИР (2002-2009 г.г.) «Разработка теории векторной оптимизации процессов, описываемых уравнениями Максвелла и Фурье для определенного класса задач математической физики» (№ г.р. 01200802926), «Создание математических моделей взаимодействия электромагнитных и тепловых полей в пространственно распределенных объектах» (№ г.р. 01200951711); «Разработка теоретических основ системного анализа и методов нетрадиционной реализации взаимосвязанных процессов энергообмена в электромагнитных и температурных полях» (№ г.р. №01200602849), «Разработка научных основ и методологии проектирования нетрадиционных технологий индукционного нагрева» (№ г.р. №01200208264) и гранта РФФИ «Разработка методологии оптимального проектирования физически неоднородных объектов электротермических производств по системным критериям качества» (№ г.р. 01200602849);

в проектно-конструкторских организациях и промышленных предприятиях:

  • при разработке и создании уникального автоматизированного стенда для прочностных и доводочных испытаний элементов газотурбинных двигателей (ОАО СНТК им. Н.Д. Кузнецова, г. Самара, ОАО «Самарский Гипроаавиапром», г. Самара);
  • при разработке и создании ряда установок для утилизации боеприпасов (ВНИИ ПКВТ, г. Самара, ДВПО «Восход», г Эльбан);
  • при проектировании систем автоматического управления индукционными нагревателями в технологических линиях обработки металла давлением (9ГПЗ);
  • в учебном процессе при чтении лекций по курсу «Электротехнологические установки и системы», «Автоматическое управление системами с распределенными параметрами», в курсовом и дипломном проектировании.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 68 печатных работ, в том числе 14 статей в журналах, рекомендованных ВАК: «Электротехника», «Электромеханика», «Вестник СамГТУ», а также 10 авторских свидетельств на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и содержит 296 страниц текста, 111 рисунков, 12 таблиц, список литературы из 238 наименований и приложения на 19 страницах.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается краткая характеристика проблемы и современного состояния численных методов математического моделирования различных взаимосвязанных процессов в индукционных системах, теории оптимального проектирования и синтеза управления для систем индукционного нагрева, обосновывается актуальность исследований в диссертационной работе, формулируется цель и задачи работы, объясняется структура диссертационной работы, приводятся основные положения, выдвигаемые на защиту.

В первом разделе рассматриваются вопросы математического моделирования электромагнитных и тепловых процессов в задачах проектирования технологических установок и синтеза систем управления, которые имеют большое значение в связи с проблемами, возникающими при нагреве заготовок и деталей сложной геометрической формы.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.