Лушпенко Сергій Федорович. Математичне моделювання теплових процесів у керамічних та надтвердих матеріалах з ідентифікацією їх теплофізичних властивостей : Дис... д-ра наук: 05.14.06 - 2007.
Анотація до роботи:
Лушпенко С. Ф. Математичне моделювання теплових процесів у керамічних та надтвердих матеріалах з ідентифікацією їх теплофізичних властивостей. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.14.06 - технічна теплофізика і промислова теплоенергетика. - Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України, Харків, 2007.
Дисертація присвячена дослідженню теплових процесів у нових конструкційних і інструментальних матеріалах за допомогою математичного моделювання (вирішення прямої задачі теплопровідності) та ідентифікації їх теплофізичних властивостей (оберненої задачі). Розв’язання прямої задачі спирається на перетворення математичної моделі підстановкою Кірхгофа та її скінченнорізницеву апроксимацію. При вирішенні оберненої задачі використовується метод автоматизованого підбору. Його стратегія спирається на пошук мінімуму різниці між температурами, отриманими з експерименту і моделюванням. Шукані теплофізичні характеристики задаються поліномами Чебишева, порядок та коефіцієнти яких є результатами пошуку. Ідентифіковані температурні залежності теплопровідності і теплоємності керамічних композитів, металевого скла і надтвердих матеріалів. Подальші математичні експерименти дозволили оцінити вплив теплових процесів на ефективність охолодження електронних плат і знайти раціональні режими заточення токарського інструменту.
Сформовано комплексний підхід до теплофізичного дослідження нових матеріалів, у якому прямі та обернені задачі теплопровідності розглядаються не як протилежності, а як частини єдиної експериментально-розрахункової технології, що взаємно доповнюють одна іншу.
Запропоновано класифікацію і огляд методів розв’язання внутрішніх в істотно зміненому та доповненому вигляді. Аргументовано показано, що для цілей комплексного теплофізичного дослідження нових матеріалів найбільш ефективними будуть екстремальні методи автоматизованого підбору з перетворенням математичної моделі.
Розроблено метод автоматизованого підбору, що може претендувати на новизну завдяки таким своїм відмітним ознакам:
вирішення пробної прямої задачі в рамках цього методу передбачається починати з перетворення математичної моделі за допомогою підстановок Кірхгофа та Гудмена;
подання температурних залежностей рекомендується здійснювати у вигляді одного (для теплопровідності) або двох (для теплоємності) відрізків поліномів Чебишева;
у процесі розв’язання оберненої задачі підбираються не тільки значення коефіцієнтів поліноміальної апроксимації, але й ступінь полінома;
розв’язання супроводжується регуляризацією, тобто крім відхилу мінімізується стабілізуючий функціонал і враховується ряд регуляризуючих обмежень, для чого застосовуються пошук мінімуму методом деформовного багатогранника та метод штрафних функцій;
передбачено заходи теплофізичного характеру для надійного влучення в окіл глобального мінімуму за допомогою попереднього вирішення оберненої задачі спрощеним аналітичним або численно-аналітичним методом;
структура методу обрана таким чином, щоб забезпечити оптимальне за швидкістю розв’язання задачі засобами як цифрової, так й аналогової або гібридної обчислювальної техніки.
Запропоновано вдосконалену процедуру вирішення нелінійної , що дозволила істотно спростити та прискорити моделювання як на завершальній стадії вивчення теплового процесу, так і при розв’язанні обернених задач теплопровідності. Для дискретизації математичної моделі обраний метод скінченних різниць, хоча і не виключається можливість використання інших методів. При цьому розрахунки опираються на
неявну і явно-неявну схеми та тих з них, які забезпечують другий порядок точності;
широке застосування підстановок Кірхгофа та Гудмена, підтримуване повним набором процедур прямого і оберненого перетворень моделі;
метод ітерацій, що дає можливість одержати більш стійке вирішення, ніж безітераційні підходи, а також скористатися верхньою або нижньою релаксацією та способами ітераційної регуляризації;
дотримування схеми Зейделя, що дає помітне прискорення розв’язання;
обхід вузлів скінченнорізницевої сітки від границі до центра поля;
раціональний вибір параметра в критерії зупину ітерацій;
гнучкий підхід до вибору схеми дискретизації та врахування нелінійностей, мірності постановки і технічних засобів проведення розрахунків;
загущення сітки поблизу границі, як ефективну альтернативу схемам другого порядку точності для приграничних вузлів.
На основі методу автоматизованого підбору розроблений оптимизований за швидкодією регуляризуючий метод аналітичного наближення дискретно заданих функцій.
Отримані шляхом обробки даних багатоваріантного теплофізичного експерименту раніше недосліджені температурні залежності теплопровідності нових композиційних керамічних матеріалів на основі оксиду алюмінію та діоксиду кремнію. На базі цих даних розроблено оптимальний за своїми теплоізоляційними і механічними властивостями склад безвипалювальної кераміки.
У результаті обробки даних ретельно підготовленого теплофізичного експерименту ідентифіковані ніким раніше невивчені аморфних металевих сплавів кобальту з залізом, хромом, кремнієм і бором () та заліза з нікелем і бором ().
Уточнені та розраховані для більш широкого, ніж в опублікованих раніше джерелах, діапазону температур залежності теплопровідності і теплоємності надтвердих полікристалічних матеріалів на основі синтетичних алмазів та нітриду бору від температури.
Внаслідок продовження комплексного теплофізичного дослідження кераміки та виробів з неї отримані дані, що характеризують зміну температурного поля охолоджуваної плати залежно від інтенсивності охолодження. Це дозволило вибрати раціональну конструкцію та робочі параметри системи рідинного охолодження елементів .
Моделювання двовимірних нестаціонарних полів у матеріалах, що шліфуються, дало багато корисної інформації про динаміку температур у недоступних для виміру точках зони різання. Аналіз цих даних привів до оцінки ступеня впливу теплових факторів на процес шліфування твердих матеріалів, що дозволило оптимізувати режимні параметри цього процесу з продуктивності та енергозбереження.
Розрахунковим шляхом визначені тривимірні нестаціонарні температурні поля в різальних елементах двох типів - у вигляді штучного алмазу з циліндричною оправкою та у формі двошарової пластини. Розрахунки за допомогою розробленої програми та пакета PHOENICS показали, як прогрівається надтвердий матеріал, що шліфується, протягом декількох проходів шліфувального круга, де і коли градієнти температур досягають своїх максимальних значень.
Розроблений у ході виконання дисертації комплексний підхід до теплофізичного дослідження нових матеріалів має чітку практичну спрямованість. Більшість методичних розробок автора реалізовано у вигляді готових до використання комп'ютерних програм з дружнім інтерфейсом для введення даних та аналізу одержуваних результатів. Крім того, запропоновано цілий ряд аналогових та гібридних схем проведення обчислень. Аналоговий прилад «Пошук», на який отримане авторське посвідчення, протягом багатьох років використовується як для налагодження елементів методу автоматизованого підбору, так і для практичної ідентифікації теплофізичних характеристик.
Отримані в роботі результати довідкового характеру, наприклад теплофізичні характеристики нових матеріалів, були опубліковані у вигляді таблиць, графіків та аналітичних залежностей. Ці дані і велика кількість інформації з інших джерел були поміщені в спеціально розроблену для цієї мети базу даних про твердих, рідких та газоподібних тіл EXPODATA, зручну для перегляду, поповнення та практичного використання при розрахунках.
Розроблено програму для інформаційно-обчислювального супроводу теплофізичного експерименту MEASURES, що успішно експлуатується понад 10 років у декількох підрозділах і була передана в інші організації як корисний інструмент для візуалізації ходу проведення експерименту та здійснення метрологічних і суміжних обчислювальних робіт. На завод «Електроважмаш» (Харків) вона служить для функціональної діагностики системи охолодження потужних електрогенераторів і метрологічної атестації вимірювальної системи, що підтверджується актом про використання.
Комплекс програм для теплового проектування електронних модулів з рідинним охолодженням SBORKA був переданий у проектні організації в порядку виконання укладених з ними господарських договорів. За результатами тривимірного моделювання теплових процесів у модулі та гідравлічних процесів у системі охолодження вдалося вибрати раціональне компонування системи для надійного забезпечення номінального температурного режиму .
Впроваджені у виробництво розрахункові методики і програмні засоби для теплофізичного дослідження процесів шліфування твердих матеріалів і визначення їх теплофізичних властивостей. Вони використовуються в дослідницькій і навчальній практиці в Національному технічному університеті «» та інших організаціях.
Публікації автора:
Мацевитый Ю. М., Лушпенко С. Ф. Идентификация теплофизических свойств твердых тел. - Киев: Наук. думка, 1990. - 216 с.
Сурду Н. В., Лушпенко С. Ф. Влияние кинематики процессов шлифования на тепловое состояние зоны обработки // Современные технологии в машиностроении: Сб. науч. статей. - Харьков: «», 2007. - С. 134 - 142.
Мацевитый Ю. М., Лушпенко С. Ф. Решение внутренней обратной задачи теплопроводности средствами аналоговой вычислительной техники // Электрон. моделирование. - 1984. - Т. 6, № 3. - С. 77 - 80.
Грабченко А. И., Лушпенко С. Ф., Мацевитый Ю. М., Островерх Е. В. Зависимость коэффициента теплопроводности поликристаллических сверхтвердых материалов от температуры // Сверхтвердые материалы. - 1986. - № 1. - С. 24 - 27.
Мацевитый Ю. М., Лушпенко С. Ф. Определение коэффициентов теплопроводности материалов путем автоматизированного решения внутренней обратной задачи // Пром. теплотехника. - 1986. - Т. 8, № 4. - С. 51 - 56.
Мацевитый Ю. М., Лушпенко С. Ф. Гибридное решение внутренней обратной задачи теплопроводности // Электрон. моделирование. - 1987. - Т. 9, № 5. - С. 3 - 7.
Мацевитый Ю. М., Грабченко А. И., Лушпенко С. Ф., Островерх Е. В. Определение теплового состояния сверхтвердых поликристаллов в процессе их обработки // Проблемы машиностроения. - 1987. - Вып. 28. - С. 55 - 60.
Мацевитый Ю. М., Лушпенко С. Ф. Определение удельной теплоемкости материалов методами обратных задач теплопроводности // Пром. теплотехника. - 1988. - Т. 10, № 1. - С. 83 - 87.
Мацевитый Ю. М., Лушпенко С. Ф. Методы идентификации теплофизических характеристик материалов решением обратных задач (обзор) // Там же. - 1990. - Т. 12, № 2. - С. 63 - 84.
Ведь В. Е., Иванов В. А., Лушпенко С. Ф., Мацевитый Ю. М. Определение теплопроводности керамических материалов с помощью решения обратной задачи теплопроводности // Инж.-физ. журн. - 1991. - Т. 61, № 5. - С. 816 - 822.
Барсуков В. А., Коваль Г. М., Лушпенко С. Ф., Мацевитый Ю. М. Определение теплопроводности аморфных металлических сплавов // Там же. - 1992. - Т. 63, № 3. - С. 314 - 320.
Ведь В. Е., Иванов В. А., Лушпенко С. Ф. Установка для определения теплопроводности керамических материалов // Заводская лаборатория. - 1992. - Т. 58, № 11. - С. 40 - 42.
Барсуков В. А., Коваль Г. М., Лушпенко С. Ф., Мацевитый Ю. М. Исследование теплоемкости аморфных металлических сплавов // Пром. теплотехника. - 1993. - Т. 15, № 3. - С. 95 - 99.
Голощапов В. Н., Лушпенко С. Ф., Мацевитый Ю. М., Цаканян О. С. Моделирование теплового состояния электронного модуля с микроканальной системой жидкостного охлаждения // Проблемы машиностроения. - 1998. - T. 1, № 2. - C. 55 - 59.
Мацевитый Ю. М., Ведь В. Е., Иванов В. А., Лушпенко С. Ф. Разработка безобжиговых теплозащитных материалов для высокотемпературных покрытий металлов // Докл. Украины. - 1998. - № 10. - С. 112 - 117.
Козакова Н. В., Лушпенко С. Ф., Маслов В. А., Островерх Е. В. Математическое моделирование тепловых процессов при тонком алмазном шлифовании сверхтвердых пластин путем решения сопряженных задач // Високі технології в машинобудуванні. Збірник наукових праць . - Харьков: Харьк. гос. политехн. ун-т, 1998. - С. 157 - 160.
Островерх Е. В., Лушпенко С. Ф., Козакова Н. В., Маслов В. А. Особенности динамики температурных полей в шлифуемых двухслойных пластинах // Резание и инструмент в технологических системах. - 1999. - Вып. 54. - С. 184 - 188.
Лушпенко С. Ф. База данных о теплофизических свойствах материалов с регуляризирующей процедурой преобразования формы представления информации // Электрон. моделирование. - 1999. - T. 21, № 2. - С. 80 - 85.
Мацевитый Ю. М., Лушпенко С. Ф., Ведь В. Е., Иванов В. А. Автоматизированный подбор при идентификации температурной зависимости теплопроводности теплоизоляционных материалов // Інтегровані технології та енергозбереження. - 2004. - № 1. - С. 50 - 55.
Лушпенко С. Ф., Островерх Е. В., Сурду Н. В. Исследования тепловых процессов при шлифовании // Проблемы машиностроения. - 2005. - T. 8, № 4. - C. 20 - 28.
1374258 , 4 G06 G7/56. Устройство для решения обратной задачи теплопроводности / Ю. М. Мацевитый, С. Ф. Лушпенко. - Опубл. 15.02.88, Бюл. № 6.
Мацевитый Ю. М., Мултановский А. В., Лушпенко С. Ф., Рекада М. М. Одновременная идентификация различных параметров тепловых систем // Тепломассообмен-VII: Материалы VII Всесоюз. конф. по тепломассообмену (Минск, май 1984). - Минск: Ин-т тепломассообмена , 1984. - Т. 7. - С. 98 - 101.
Lushpenko S. F., Matsevity Yu. M., Tsakanyan O. S. Modelling the thermal state of an electronic module with a microchannel system of fluid cooling // 1. MATHMOD VIENNA: Proc. Symposium on Mathematical Modelling (Vienna, Feb. 1994). - Vienna: Tech. Univ., 1994. - V. 4. - P. 735 - 738.
Matsevity Yu. M., Lushpenko S. F. Identification of heat transfer parameters by the means of solving inverse heat transfer problems // Proc. 2nd Colloquium on Process Simulation (Espoo, Finland, June 1995). - Espoo: Helsinki Univ. of Technology, 1995. - P. 167 - 172.
Matsevity Yu. M., Lushpenko S. F., Kostikov A. O. Adaptation of the PHOENICS software system for problems of investigating thermal regimes of spacecraft electronic equipment // Proc. 4th Ukraine-Russia-China Symposium on Space Science and Technology (Ukraine, Sept. 1996). - Київ: Нац. косм. агентство України, 1996. - V. II. - P. 747 - 749.
Matsevity Yu. M., Lushpenko S. F. Solving inverse problems of mathematical physics by means of the PHOENICS software package // Proc. 4th Int. Colloquium on Process Simulation (Espoo, Finland, June 1997). - Espoo: Helsinki Univ. of Technology, 1997. - P. 249 - 259.
Lushpenko S., Matsevity Y. Simulation of thermal state of a superhard polycrystal under grinding // Proc. 15th World Congr. (Berlin, Aug. 1997). - Berlin: Wissenschaft & Technik Verlag, 1997. - V. 5. - P. 767 - 772.
Matsevity Yu. M., Lushpenko S. F. An estimation of thermal properties by means of solving internal inverse heat transfer problems // Inverse Problems in Engineering: Theory and Practice. Proc. 2nd Int. Conf. on Inverse Problems in Engineering (Le Croisic, France, June 1996). - New York: United Engineering Center, 1998. - P. 677 - 684.
Lushpenko S. F. Simulation of thermal processes occurring with grinding of hardly worked materials // CHMT99: Proc. Int. Conf. on Computational Heat and Mass Transfer (G. Mausa, N. Cyprus, Apr. 1999). - G. Mausa: Eastern Mediterranean Univ. Printing House, 1999. - P. 232 - 237.
Островерх Е. В., Лушпенко С. Ф., Козакова Н. В., Маслов В. А. Обобщенная методика моделирования теплового состояния шлифуемых // Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье. Сб. науч. трудов . - 1999. - Вып. 7 - ч. 2. - Харьков: Харьк. гос. политехн. ун-т. - С. 189 - 193.
Lushpenko S. F., Ostroverkh E. V., Surdu M. V. Investigation of influence of heat factors upon a grinding process // Thermal Sciences. - 2004. - V. 3. - P. 369 - 375.
Matsevity Yu., Ivanov V., Lushpenko S., Ved V. Estimation of temperature depending thermal conductivity of heat-insulating materials with solving an inverse heat-transfer problem // Proc. 13th Inverse Problems in Engineering Seminar (Cincinnati, , June 2004). - Cincinnati: Univ. of Cincinnati, 2004. - P. 121 - 125.
