Модели и методы оценки интегрального показателя качества полимерных композиционных материалов

На правах рукописи

Коляганова Ольга Владимировна

МОДЕЛИ И МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ИНТЕГРАЛЬНОГО ПОКАЗАТЕЛЯ КАЧЕСТВА ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

05.13.01 – Системный анализ, управление и обработка информации

(в химических технологиях, нефтехимии)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Иваново – 2013

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет»

Научный руководитель:	- доктор химических наук, профессор Дербишер Вячеслав Евгеньевич
Официальные оппоненты:	- Волынский Владимир Юльевич доктор технических наук, Ивановский государственный химико-технологический университет, профессор кафедры экономики и финансов
	- Гусев Борис Николаевич доктор технических наук, профессор, Ивановская государственная текстильная академия, заведующий кафедрой материаловедения, товароведения, стандартизации и метрологии
Ведущая организация:	- Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Ю.А. Гагарина», г. Саратов

Защита состоится «­­__» ______ 2013 г. в ____ часов на заседании диссертационного совета Д 212.063.05 в Ивановском государственном химико-технологическом университете по адресу: 153000, г. Иваново, проспект Ф. Энгельса, 7, ауд. Г-205.

Тел. (4932) 32-54-33. Факс: (4932) 32-54-33. E-mail: dissovet@isuct.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного химико-технологического университета по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 10.

Автореферат разослан «__» ________ 2013 г.

Ученый секретарь

совета Д 212.063.05

д.ф.-м.н., профессор Зуева Галина Альбертовна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Одним из направлений системного анализа является создание и использование методов и алгоритмов оценки качества и надежности эксплуатации сложных систем. При создании и эксплуатации этих систем требуется обработка и анализ большого объема информации. Полимерные композиционные материалы (ПКМ) являются сложной системой, к которой сказанное относится в полной мере. Важнейшая задача оценки качества ПКМ состоит в обработке информации о свойствах ПКМ, представлении ее в таком виде, который позволил бы сопоставлять итоговые данные, для выявления существенных свойств, закономерностей, применения ПКМ, в целях повышения надежности, качества и экономической эффективности.

Например, в частном случае, являющимся предметом настоящего исследования, для управления качеством ПКМ предлагаются различные методики сортирования и ранжирования, оперирующие как в числовых (количественных), так и не числовых пространствах. Здесь следует отметить работы таких авторов как L. Zadeh, В. В. Кафарова, И. Н. Дорохова, С. И. Дворецкого и др. Примером диссертационных исследований, выполненных в этой области, являются работы Т. В. Савицкой1, И. В. Гермашева2 и др. Большой вклад в решение проблем интегральной оценки свойств ПКМ (полимерные композиционные, текстильные материалы и д. р.) внесли: А. А. Артеменко, Б. Н. Гусев и др.

Для формулировки задачи выбора материала по определенным признакам отметим, что большинство его свойств может изменяться в широких пределах, и при этом набор физико-химических и эксплуатационных свойств является величиной переменной. На рис.1 в общем плане представлена примерная группировка этих свойств.

Рис. 1. Группы свойств полимерных материалов

В связи с вышесказанным укажем основные проблемы постановки задачи системной оценки качества применительно к ПКМ:

• это проблема теоретическая, требующая совершенствования представлений о системном характере понятия качества химической продукции;
• это проблема формирования доступного для использования набора оценок, позволяющего обеспечить и улучшить качество продукции в зависимости от технологии их выработки и других конкретных обстоятельств;
• это проблема обеспечения качества в потребительском смысле;
• это проблема «обратной связи» – «технология - улучшение качества – новая область применения – новая потребность»;
• это проблемы экономического характера, связанные со снижением риска неправильной оценки качества ПКМ в промышленном и товарном обороте.

В связи со сказанным актуальность данной диссертационной работы заключается в улучшении методик статистической обработки данных для построения усовершенствованного комплексного критерия оценки качества полимерных композиционных материалов в однородных выборках.

Цель работы и основные задачи исследования

Цель исследования заключалась в разработке моделей интегральных показателей свойств и методов ранжирования ПКМ для поддержки принятия решений об их качестве.

Для достижения цели решены следующие задачи:

1. Выявлены и структурированы задачи выбора показателей свойств при создании и оценке ПКМ.
2. Дан анализ существующих методов сортирования и ранжирования технических объектов. Оперирующих в числовых (количественных) пространствах с учетом их особенностей.
3. Разработаны частные методики построения комплексной оценки свойств ПКМ и на этой основе построен интегральный показатель качества.
4. Разработан метод комплексной оценки и созданы условия для решения задач выбора компонентов при проектировании ПКМ для использования его в алгоритмизированном режиме.
5. Создано программное обеспечение информационной поддержки процедур принятия решения.
6. Проведено апробирование методов комплексной оценки свойств ПКМ на ряде экспериментальных и технологических данных.
7. Осуществлено сравнение предлагаемых методов оценки свойств (характеристик) ПКМ между собой и в сравнении с известными методами.

Объектом исследования являлась зависимость «свойства – интегральный показатель – качество материала». Предмет исследования - информационная поддержка процедур принятия технологических решений при выборе ПКМ.

Методы исследования

В диссертационной работе использованы методы и средства системного анализа, математической статистики, квалиметрии, теории нечетких множеств, теории и анализа алгоритмов, физико-химии и технологии ПКМ.

Научная новизна

1. Разработаны модели и методы оценки качества ПКМ с применением интегрального показателя основанные на применении нечетких множеств, кластеризации и ранжировании.

2. Установлено, что при исследовании ПКМ могут быть использованы системные показатели качества, позволяющие решить частную задачу выбора оптимального варианта для информационной поддержки принятия исследовательских и технологических решений.

3. Предложен метод анализа исходных данных и решаемой задачи, позволяющий идентифицировать модели и методы, используемые для выбора ПКМ.

Практическая значимость

1. Разработанные модели и методы позволяют выбрать оптимальный вариант ПКМ на основе их ранжирования, сортирования в однородной выборке.
2. Предложена методика вычисления количественной оценки качества ПКМ, исходя из имеющегося набора свойств, что позволяет обоснованно принимать решение при выборе ПКМ.
3. Предложена организация научно-технической информации о свойствах ПКМ, как средство представления результатов исследований.
4. Разработаны методические материалы для использования в учебном процессе высшей школы.

Апробация работы и публикации по теме диссертации

Основные материалы работы докладывались и обсуждались на 8-ми Международных, 5-ти Всероссийских и 1-ой Региональной научных конференциях.

По материалам диссертации опубликована 21 работа, в том числе 5 статей в периодических изданиях из перечня, рекомендуемого ВАК, одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и двух приложений.

Первая глава представляет собой литобзор и посвящена систематизации и анализу квалиметрических факторов при оценке качества полимерных материалов.

Во второй главе рассмотрены модели, методы системного анализа и задачи при идентификации качества ПКМ.

ПКМ характеризуется многочисленными свойствами (см. рис. 1). Задача состоит в том, чтобы придать ПКМ те свойства, которые определяются требованиями науки, технологии и конкретной потребностью. В большинстве практических задач речь идет об уровне качества продукции, определяемом относительной характеристикой достигнутых значений свойств продукции в сравнении с базовой величиной (заданной). При наличии разработанных стандартов в качестве базы принимаются требования нормативной документации.

При этом возникает вопрос об определении уровня качества продукции, когда имеется выборочное множество свойств. Наиболее распространенным способом, используемым для этого, является комплексный способ. Комплексная оценка становится необходимой, когда речь идет о быстром выборе оптимального варианта.

Сущность вычисления комплексной оценки заключается в приведении всех показателей, выбранных для построения комплексного критерия к безразмерному виду (qij) и величинам одного порядка. Это достигается двумя путями:

• делением значения показателя свойства на базовое: qij = Qij/Q0j,
• делением базового значения на данное: qij = Q0j/Qij,

где Q0i и Qij – эталонное и экспериментальное значения.

В целом построение комплексной оценки осуществляется в примерной последовательности, которая представлена на рис. 2.

Рис. 2. Операции построения комплексной оценки качества КМ

В диссертации подробно рассмотрены основные комплексные (интегральные) оценки, применяемые для обобщения информации о свойствах материалов для управления качеством продукции, основанные на сравнении с базовыми (заданными). Иногда также пользуются критериями, построенными без сравнения показателей с базовыми – их применяют для выбора оптимального варианта продукции из сравниваемых.

Из наиболее значимых неустранимых недостатков этих оценок отметим следующие:

• во многих методах не учитывается весомость показателей;
• нивелируются отдельные свойства материала.

Можно уменьшить влияние этих недостатков на принятие решения при использовании информации.

В настоящей работе рассматривается три предложенных варианта обработки числовой информации о свойствах ПКМ:

- метод, основанный на определении центра тяжести области структурированных данных;

- метод, основанный на разбиении области значений на кластеры и оценке этих кластеров;

- метод, основанный на использовании оценок нечетких множеств (НМ), описывающих информационный массив.

Основные задачи и проблемы оценки свойств ПКМ в данном исследовании касаются выбора методов обработки информации, определению общей и частной задачи, в рамках которых рассматриваются математические модели и методы их использования для конкретных вычислений.

На рис. 3 представлена схема обоснования выбора методов для решения частных задач.

Рис. 3. Обоснование выбора метода обработки информации

Таким образом, общая задача может быть сформулирована для полного набора показателей и для неполного. Для полного набора задача выглядит следующим образом: имеется n-образцов (A1, A2,…An), и имеется k-свойств (a1, a2, …, am) (табл. 2). Требуется оценить качество этих образцов.

Таблица 2

Общая задача при обработке полного набора показателей качества

ТО	Свойства
	a1	a2	a3	a4	a5
A1	1,09	43	1,5	80	38
A2	1,11	60	1,9	40	50
A3	1,06	50	1,1	100	30

Результаты вычислений могут выглядеть следующим образом: А2, А1, А3.

Для неполного набора общая задача представлена в табл. 3.

Таблица 3

Общая задача при обработке неполного набора показателей качества

ТО	Свойства
	a1	a2	a3	a4	a5
A1	1,09	43	-	80	-
A2	-	60	1,9	40	-
A3	1,06	50	1,1	-	30

Результаты вычислений в этом случае можно представить как: А1, А3, А2.

Расчеты на конкретных примерах представлены в следующих разделах.

Третья глава относится к построению геометрической модели интегрального показателя качества материалов. Дано применение комплексного критерия при оценке свойств ПКМ, основанного на сравнении образцов с эталоном. Графическая модель комплексного показателя качества представлена на рис. 3.

Рис. 4. Модель комплексного показателя качества

Исходные данные для расчета взяты из диссертационных работ3, выполненных в ВолгГТУ. Выборочные данные представлены в табл. 4.

Таблица 4

Характеристика резиновых смесей

№ образца (i)	Резиновая смесь	Параметры
		Напряжение при удлинении 300%, МПа		Твердость, ед. Шора А	Сопротивление многократному растяжению, тыс. циклов до разрушения	Коэффициент теплового старения 70С144 ч. по относительному удлинению (К)
		№ параметра (j)
		1	...	5	6	7
0	Эталон	10,0	...	68	480	1,02
1	Без азометина	9,5	...	66	320	0,90
2	СО	10,0	...	66	360	1,02
3	СГ	10,0	...	68	480	0,99
4	СФ	10,0	...	67	380	0,92
5	ГА	10,0	...	65	410	0,96