Методика выбора оптимальной структуры дисперсно-наполненных полимерных композиционных материалов с учетом их физико-механических свойств
Введение …………………………………………………………………………………………………………… 4
ГЛАВА 1 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССА СОЗДАНИЯ
РАДИОПОГЛОЩАЮЩИХ ДИСПЕРНО-НАПОЛНЕННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ………………………………………………………….. 12
1.1 Особенности и сферы применения радиопоглощающих дисперсно–
наполненных полимерных композиционных материалов …………………………………. 12
1.2 Технология получения радиопоглощающих дисперсно-наполненных
полимерных композиционных материалов ………………………………………………………. 15
1.3 Особенности получения радиопоглощающих дисперсно-наполненных
полимерных композиционных материалов с определенными свойствами ………… 17
1.4 Анализ факторов, влияющих на свойства радиопоглощающих дисперсно-
наполненных полимерных композиционных материалов …………………………………. 24
1.5 Обзор результатов исследований в области прогнозирования свойств
композиционных материалов…………………………………………………………………………… 26
1.6 Выводы по главе 1 ……………………………………………………………………………………… 34
ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ СОСТАВА И
ЗНАЧЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ СИНТЕЗА
РАДИОПОГЛОЩАЮЩИХ ДИСПЕРСНО-НАПОЛНЕННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ИХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ……………………………………….. ………………………………. 36
2.1 Концепция математического моделирования свойств физико-механических
характеристик радиопоглощающих дисперсно-наполненных полимерных
композиционных материалов…………………………………………………………………………… 36
2.2 Разработка математических моделей ………………………………………………………….. 41
2.3 Многокритериальная оптимизация …………………………………………………………….. 50
2.4 Оценка риска при принятии решения по составу радиопоглощающих
дисперсно-наполненных полимерных композиционных материалов ………………… 53
2.5 Разработка алгоритма принятия решения о составе радиопоглощающих
дисперсно-наполненных полимерных композиционных материалов ………………… 57
2.6 Выводы по главе 2 ……………………………………………………………………………………… 59
ГЛАВА 3 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМА ВЫБОРА
ОПТИМАЛЬНОГО СОСТАВА И ЗНАЧЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ СИНТЕЗА РАДИОПОГЛОЩАЮЩЕГО
ДИСПЕРСНО-НАПОЛНЕННОГО ПОЛИМЕРНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО
МАТЕРИАЛА …………………………………………………………………………………………………. 61
3.1 Разработка структуры системы поддержки принятия решения ……………………. 61
3.2 Реализация алгоритма в специальном программном обеспечении ………………. 64
3.3 Апробация методики и работы специального программного обеспечения…… 68
Выводы по главе 3 …………………………………………………………………………………………… 75
ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ
РАДИОПОГЛОЩАЮЩИХ ДИСПЕРСНО-НАПОЛНЕННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ………………………………………………………….. 77
4.1 Разработка плана проведения экспериментальных исследований ……………….. 78
4.2 Верификация математических моделей свойств радиопоглощающих
дисперсно-наполненных полимерных композиционных материалов ………………… 83
4.3 Оптимизация состава радиопоглощающих дисперсно-наполненных
полимерных композиционных материалов ………………………………………………………. 94
4.4 Экспериментальное определение погрешности прогнозирования свойств
радиопоглощающих дисперсно-наполненных полимерных композиционных
материалов ……………………………………………………………………………………………………. 107
4.5 Практическое применение разработанных научно-методических рекомендаций
к созданию новых полимерных композиционных материалов ………………………… 113
4.6 Выводы по главе 4 ……………………………………………………………………………………. 114
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………………………….. 117
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ …………………………………………………………………………. 119
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………………………………………. 120
ПРИЛОЖЕНИЕ А ………………………………………………………………………………………. 134
ПРИЛОЖЕНИЕ Б ……………………………………………………………………………………….. 141
ПРИЛОЖЕНИЕ В ………………………………………………………………………………………. 144
ПРИЛОЖЕНИЕ Г……………………………………………………………………………………….. 145
ПРИЛОЖЕНИЕ Д ………………………………………………………………………………………. 172
Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной
работы, сформулирована цель и поставлены задачи, требующие решения.
Отраженанаучнаяновизнаипрактическаязначимостьполученных
результатов.Данахарактеристикаобъектаипредметаисследования.
Приведены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе с целью сокращения времени процесса создания новых
РП ДНПКМ выполнен его структурный анализ по методологии IDEF0.
Основными техническими средствами при создании РП ДНПКМ
являются аттестованные сотрудники, организационно-техническая система
(аттестованное программное обеспечение, компьютеры и организационная
техника);управляющимивоздействиями–нормативныедокументы
предприятия, Политика в области качества, Руководство по качеству, стандарт
ГОСТРИСО9001-2015(ISO9001-2015),математическийаппарат
моделирования свойств материала, оценки рисков.
Структурный анализ процесса создания новых РП ДНПКМ выявил
недостатки существующего процесса, к которым относятся отсутствие
инструментамоделированиясвойствиучетарисков,ипозволил
сформулировать основные требования к методике принятия решения о составе
и значениях параметров технологических режимов синтеза РП ДНПКМ:
наличиематематическогоаппаратамоделированиясвойствнового
создаваемого материала, оценки рисков при оптимизации свойств (показателей
качества) РП ДНКПМ и автоматизированный характер принятия решения о
составе и значениях параметров технологических режимов синтеза РП
ДНКПМ.
Ранжирование показателей качества новых РП ДНПКМ осуществлялось с
помощью метода развертывания функции качества (QFD-анализ). Рассмотрена
взаимосвязь факторов, влияющих на механические характеристики РП
ДНПКМ.Установлено,чтосамымиважнымипоказателямикачества
композиционного материала являются твердость (по Шору), усл.ед., предел
прочности при растяжении, МПа, относительное удлинение при разрыве, %.
Для выявления уровня научных результатов в области прогнозирования
свойств композитных материалов проведен анализ литературных источников,
посвященных методам моделирования и прогнозирования механического
поведения композитов. Проведенные теоретические исследования процесса
создания новых РП ДНПКМ позволяют сформулировать основные требования
к методике и основным компонентам системы выбора оптимального состава и
значений параметров технологических режимов синтеза РП ДНПКМ:
обеспечениевычислительнойреализуемости,робастностии
достаточной точности прогнозирования свойств (показателей качества) РП
ДНПКМ;
система поддержки принятия решения о составе и значениях
параметров технологических режимов синтеза РП ДНПКМ должна быть
реализована в специальном программном обеспечении и включать блок оценки
рисков при оптимизации свойств (показателей качества) РП ДНПКМ.
Вовторойглаверазработанаконцепцияматематического
моделирования свойств физико-механических характеристик РП ДНПКМ,
предполагающая моделируемый материал количественно описывать векторами
xЄRk,gЄRmиyЄRnвходных(физико-механическиевоздействияна
конструктивные элементы, выполненные с применением РП ДНПКМ),
внутренних (компоненты РП ДНПКМ или параметры технологических
режимов синтеза) и выходных (физико-механические характеристики РП
ДНПКМ) параметров соответственно.
Необходимо обратить внимание, что при разработке математической
модели РП ДНПКМ значения выходных параметров (физико-механические
характеристики КМ) и/или диапазоны их возможного изменения определяются
в соответствии с техническим заданием на разработку РП ДНПКМ, входные
параметры характеризуют условия функционирования, где применяются
конструктивные элементы, выполненные из РП ДНПКМ, т.е. уровень
электромагнитного и механического воздействий.
В общем случае математическую модель КМ можно представить в
следующем виде:
y = f(x,g) , xЄRk , gЄRm , yЄRn,(1)
где f – векторная функция векторного аргумента.
Предлагаемаяматематическаямодельпозволяетсмоделировать
выходные параметры по задаваемым значениям внешних и внутренних
параметров. В практике создания новых РП ДНПКМ решение прямой задачи,
по сути, является проверочным расчетом. Однако процесс создания новых РП
ДНКПМ требует решить так называемую обратную задачу: по обусловленным
заданием на создание нового РП ДНПКМ с определенными физико-
механическими значениям входных и выходных параметров найти внутренние
параметры РП ДНПКМ (процентный состав РП ДНПКМ или параметры
технологических режимов синтеза). В практике создания новых РП ДНПКМ
решение обратной задачи является проектировочным расчетом, цель которого –
определение состава (или значений параметров технологических режимов
синтеза) РП ДНПКМ, соответствующего оптимальным (в силу определенных
критериев) значениям физико-механических характеристик. Однако при
разработке математической модели РП ДНПКМ функция f заранее не известна
и ее необходимо установить, т.е. идентифицировать математическую модель
РП ДНПКМ.
Решение задачи идентификации заключается в математической обработке
информации о значениях выходных, внутренних и входных параметров РП
ДНПКМ,которыеопределяютсяврезультатеэкспериментальных
исследований. В качестве математического аппарата для решения подобных
задач может быть применен регрессионный анализ. Внутренняя структура РП
ДНПКМ, обусловленная физико-химическим взаимодействием полимерного
связующего, наполнителя и модификатора, слишком сложная. Поэтому для
большинства практически важных случаев математическую модель РП
ДНПКМ допустимо разрабатывать в соответствии с принципом черного
ящика – установить соотношение между составом и значениями параметров
технологических режимов синтеза РП ДНПКМ и его физико-механическими
характеристиками. Таким образом, математическая модель РП ДНПКМ, по
сути, является имитационной математической моделью.
В соответствии с концепцией разработаны математические модели,
описывающие степень влияния состава РП ДНПКМ и технологических
режимов обработки его наполнителя на показатели качества создаваемого
нового РП ДНПКМ.
Для многокритериальной оптимизации свойств РП ДНПКМ обосновано
применение метода последовательных уступок. Все показатели качества РП
ДНПКМ ранжируются, т.е. нумеруются в порядке убывания их важности. При
назначении уступки необходима информация о том, насколько возможно
отклониться от максимального значения первого по важности показателя
качества, чтобы максимизировать следующий за ним второй показатель и т.д.
Универсальных подходов и рекомендаций по решению этой нетривиальной
задачи не существует. При назначении величины уступки выбран критерий
Сэвиджа, позволяющий свести возможные ошибки к минимуму. Критерий
«показывает» приемлемые результаты в условиях дефицита информации о
значенияхуступок.Такимобразом,вероятностьошибкипринятия
неоптимального состава и значений параметров технологических режимов
синтеза РП ДНПКМ является минимальной.
Для автоматизации процесса принятия решения о составе РП ДНПКМ и
технологических режимах обработки наполнителя разработан алгоритм их
выбора.
В третьей главе разработана структура системы поддержки принятия
решения о составе и значениях параметров технологических режимах синтеза
РП ДНПКМ, состоящая из интерфейса, блока вычислений, базы данных,
экспертного блока и блока выдачи решений.
Блок выдачи решений является основным и предполагает вывод
результатов многокритериальной оптимизации (оптимальное соотношение
компонентов и/или значения параметров технологических режимов синтеза).
Экспертный блок осуществляет реализацию выбора альтернативного значения
величин уступок из предложенных экспертами вариантов для дальнейших
расчетов по оптимизации.
Авторомразработаноспециальноепрограммноеобеспечение
«Оптимизация состава радиопоглощающих полимерных композиционных
материалов» (Свидетельство о государственной регистрации программы для
ЭВМ № 2020616892), в котором реализована предложенная структура системы
поддержки принятия решения.
В результате реализации алгоритмов выбора оптимального состава и/или
значенийпараметровтехнологическихрежимовсинтезаРПДНПКМ
разработана структура системы поддержки принятия решений о составе и
технологических режимах обработки наполнителя РП ДНПКМ, включающая
блок оценки рисков. Таким образом, снижена вероятность утверждения
неоптимального состава и/или значений параметров технологических режимов
синтеза РП ДНПКМ.
В четвертой главе представлены результаты экспериментальных
исследованиймеханическиххарактеристикРПДНПКМипроведена
верификация разработанных математических моделей видов «состав РП
ДНПКМ – свойства РП ДНПКМ» и «технологические режимы синтеза РП
ДНПКМ – свойства РП ДНПКМ». Для этого были изготовлены образцы из РП
ДНПКМ в соответствии с требованиями, приведенными в ГОСТ Р 54553-2019.
С этой целью образцы разделялись на группы по определенным признакам, к
которым относятся материал полимерного связующего, отсутствие либо
наличие обработки наполнителя с указанием вещества для его обработки.
Для каждой группы РП ДНПКМ изготовлено семь образцов (по пять
экземпляров) с разным процентным составом наполнителя, полимерного
связующего и способом обработки наполнителя.
Для верификации математических моделей вида «технологические
режимы синтеза РП ДНПКМ – свойства РП ДНПКМ» изготовлены образцы с
четырьмя разными составами и режимами обработки наполнителя (по пять
экземпляров), состоящих из полимера СКТН А, наполнителя и олигомера
силиконового.
При верификации математических моделей свойств РП ДНПКМ
исходной информацией служили значения механических характеристик,
доступные непосредственному измерению: твердость, предел прочности при
растяжении, относительное удлинение при разрыве.
В рамках диссертационного исследования верификация математических
моделей решена следующим образом: на основе экспериментальных данных
определены значения параметров функции f(x,g), которая аппроксимирует
свойства РП ДНПКМ y = f(x,g) на множестве значений механических
характеристик:
g(k) g, y(p) y,
где g(k) и y(p) – пространство внутренних (компоненты РП ДНПКМ или
параметры технологических режимов синтеза) и выходных (механические
характеристики РП ДНПКМ) параметров при проведении экспериментов; k –
количество образцов РП ДНПКМ с различными составом или параметрами
технологических режимов синтеза; p – количество образцов РП ДНПКМ с
одинаковыми составами или параметрами технологических режимов синтеза.
Врезультатемногокритериальнойоптимизацииранжированных
механическиххарактеристиксиспользованиемверифицированных
математических моделей «состав РП ДНПКМ – свойства РП ДНПКМ» и
«технологические режимы синтеза РП ДНПКМ – свойства РП ДНПКМ»
полученоптимальныйсоставРПДНПКМизначенияпараметров
технологическихрежимовсинтезадлякаждойгруппыисследуемых
материалов. В соответствии с этим изготовлены образцы РП ДНПКМ, для
которых в результате экспериментальных исследований определены реальные
значения механических характеристик.
Относительнаяпогрешностьпрогнозированияоптимизированных
свойств РП ДНПКМ определялась по следующей формуле:
p
ห௬ ି௬ ห
ε ൌ,i 1, n ,(2)
௬
где yim и yip – найденное оптимальное при помощи математической модели и
реальное значения i-го значения механической характеристики соответственно.
В заключении сделаны выводы, что в диссертационной работе
поставлена и решена актуальная в научном отношении и практически важная
задача по разработке методики выбора оптимального состава и значений
параметров технологических режимов синтеза радиопоглощающих дисперсно-
наполненныхполимерныхкомпозиционныхматериалов(РПДНПКМ).
Получены следующие основные результаты:
1. Проведен системный анализ процесса создания РП ДНПКМ с
использованиеминструментовуправлениякачествомпродукции
(развертывание функции качества (QFD-анализ) и структурный анализ по
методологииIDЕF0),порезультатамкоторыхвыявленаактуальность
разработки методики выбора состава и значений параметров технологических
режимов синтеза РП ДНПКМ на начальных этапах его жизненного цикла.
2. Впервые разработана математическая модель свойств РП ДНПКМ для
определения состава и параметров технологических режимов синтеза РП
ДНПКМ с учетом максимизации ранжированных механических характеристик
РП ДНПКМ.
3. Впервыеразработаналгоритмвыборасоставаипараметров
технологических режимов синтеза РП ДНПКМ с оценкой рисков, возникающих
приназначенииуступки,позволяющийпровестимногокритериальную
оптимизацию механических свойств РП ДНПКМ, что снижает себестоимость и
повышает эффективность процесса создания новых РП ДНПКМ за счет
снижения рисков принятия его неоптимальной структуры.
4. Предложена новая структура автоматизированной системы поддержки
принятия решений о составе и технологических режимах синтеза РП ДНПКМ,
включающая блок оценки рисков.
5. Разработанныеалгоритмывыборасоставаипараметров
технологических режимов синтеза РП ДНПКМ реализованы в программном
обеспечении, позволяющем автоматизировать процесс принятия решения
(Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №
2020616892).
6. Доказана достаточно высокая сходимость результатов расчетов по
разработанным и верифицированным математическим моделям, описывающим
влияние состава (или параметров технологических режимов синтеза) на
свойства РП ДНПКМ с экспериментальными данными путем сравнения
рассчитанных по предлагаемой методике и реальных характеристик РП
ДНПКМ (погрешность не превышает 4% для математических моделей вида
«состав РП ДНПКМ – свойства РП ДНПКМ» и 14% для математических
моделей вида «технологические режимы синтеза РП ДНПКМ – свойства РП
ДНПКМ»).
7. Практическоеприменениеразработаннойметодикивыбора
оптимального состава и технологических режимов синтеза при создании
полимерныхматериаловпозволилополучитьновыйкомпозиционный
полимерный материал для герметизации, защищенный патентом РФ на
изобретение № 2 745 193, и композиционный полимерный материал для
герметизации радиоэлектронных изделий, защищенный патентом РФ на
изобретение № 2 748 798.
8. Основные результаты исследований приняты к использованию и
внедреныв:АОНПП«Краснознаменец»припроведениинаучных
исследованийипроработоквобластисозданияновыхсоставов
пиротехнических изделий; ООО «Изотроп», ООО «ОРЕОЛ ГАН» и ООО
«Функциональныематериалы»приразработкеновыхфункциональных
материалов; в учебном процессе ФГБОУ ВО «Балтийский государственный
технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова».
Актуальность темы. Проблема повышения качества защиты от
электромагнитного излучения электронных блоков изделий различного
назначения (от бытовых устройств до летательных аппаратов и ракетно-
космической техники) неразрывно связана с уровнем применяемых материалов,
их составом и свойствами. В качестве таких материалов могут выступать
радиопоглощающие дисперсно-наполненные полимерные композиционные
материалы (РП ДНПКМ). Исследование показателей качества РП ДНПКМ во
многом определяется необходимостью получения подобных материалов с
наиболее важными для потребителей свойствами. При этом возникает
необходимость определения взаимосвязи показателей качества с влияющими
факторами (в первую очередь, состав материала и технологические режимы его
синтеза), которую можно представить в виде математических моделей, что
позволяет оптимизировать свойства получаемых РП ДНПКМ.
Радиопоглощающие свойства этих материалов в основном определяются
наполнителем (оксид железа трехвалентного, технический углерод, ферриты,
карбонильное железо, оксиды никеля, кобальта, алюминия). Он влияет (в
зависимости от состава РП ДНПКМ) на механические свойства (твердость, предел
прочности при растяжении и относительное удлинение при разрыве) РП ДНПКМ,
которые определяют возможность применения РП ДНПКМ для защиты
электронных блоков в условиях повышенных механических нагрузок. Таким
образом, в современных условиях при широком использовании РП ДНПКМ в
различных отраслях промышленности растет актуальность разработки
автоматизированной системы поддержки принятия решений по составу и
значениям параметров технологических режимов синтеза РП ДНПКМ в
зависимости от требуемых радиопоглощающих и механических свойств.
Разработка подобных материалов сопровождается появлением
определенных теоретических и практических проблем, к основной из которых
можно отнести необходимость выбора величины уступки при
многокритериальной оптимизации ранжированных механических свойств
(показателей качества) РП ДНПКМ, которая существенно влияет на результат
оптимизации – выбор состава (или значений параметров технологических
режимов синтеза) РП ДНПКМ. Для решения этой задачи в работе предлагается
использовать оценку риска по критерию Сэвиджа, что позволит снизить риск
утверждения неоптимального состава и значений параметров технологических
режимов синтеза РП ДНПКМ.
Разработка научно-методических основ выбора оптимального состава
радиопоглощающего дисперсно-наполненного полимерного композиционного
материала способствует реализации «Стратегических направлений развития
материалов и технологий их переработки на период до 2030 года», одобренных на
заседании Научно-технического совета Военно-промышленной комиссии при
Правительстве Российской Федерации (протокол № ВПК(НТС) – 27пр от
02.12.2011 г.).
В работе решена актуальная научно-прикладная задача
автоматизированного выбора оптимального состава (или значений параметров
технологических режимов синтеза) РП ДНПКМ, обеспечивающая оперативное
получение процентного соотношения составляющих компонентов (или значений
параметров технологических режимов синтеза) при создании нового материала.
Степень разработанности темы. Выбор оптимального состава и значений
параметров технологических режимов синтеза РП ДНПКМ является задачей
принятия решения. Проблеме принятия решений посвящены труды ученых
ИСАРАН (Попков Ю.С., Арлазаров В.Л., Геловани В.А., Осипов Г.С., Швецов
А.Н. и др.) и СПИИРАН (Ронжин А.Л., Котенко И.В., Кулешов С.В., Соколов Б.В.
и др.), а также других исследователей и ученых, в частности, Т. Саати, Э. Мушик,
Е.П. Голубков, А.Л. Каменева, О.И. Ларичев, В.Е. Магер, С. Янг, Х. Райф, П.
Мюллер в своих трудах занимались рассмотрением и анализом проблемы
принятия решений. Изучение работ показывает необходимость адаптации
существующих методик к процессу принятия решения об оптимальном составе и
значениях параметров технологических режимов синтеза РП ДНПКМ. Данная
задача исследована не в полном объеме, но внимания заслуживает диссертация
Советовой Ю.В, в которой автором рассмотрено состояние исследований в
области прогнозирования свойств композиционных материалов. При изучении
вопроса прогнозирования свойств композиционных материалов уделено внимание
работам таких исследователей, как В. Фойгт, А. Рейсс, Р. Хилл, З. Хашин, Ш.
Штрикман, Э. Кернер, Б. Будянский, Дж. Эшелби, отмечены их недостатки, среди
которых выделены следующие: ошибки получаемого прогноза, ограниченность
выдвинутых предположений, применение выдвигаемой гипотезы только в
частных случаях, пригодность подхода только при больших относительных
содержаниях включений.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационного исследования
является сокращение времени процесса создания новых РП ДНПКМ,
обеспечивающего получение функционального материала с оптимальным
уровнем основных свойств.
Для достижения поставленной цели диссертационного исследования были
решены следующие задачи:
‒ проведен структурный анализ процесса синтеза новых полимерных
композиционных материалов с радиопоглощающими свойствами и определен
этап, требующий улучшения;
‒ разработана обобщенная структура системы прогнозирования
показателей качества композита и алгоритма принятия решений, учитывающая
риски;
‒ разработан инструмент поддержки принятия решения по составу и
параметрам режимов обработки наполнителя РП ДНПКМ, обеспечивающих
получение материалов с оптимальным уровнем основных показателей качества;
‒ разработаны математические модели для оптимизации
ранжированных показателей качества РП ДНПКМ;
‒ проведена многокритериальная оптимизация для получения состава и
значений параметров технологических режимов синтеза РП ДНПКМ в
зависимости от его заданных показателей качества;
‒ реализована методика в специальном программном обеспечении, тем
самым автоматизирован процесс принятия решения о составе и значениях
параметров технологических режимов синтеза РП ДНПКМ;
‒ проведены экспериментальные исследования для подтверждения
адекватности и применимости разработанных математических моделей и
алгоритмов.
Объектом исследования являются физико-механические свойства
радиопоглощающих дисперсно-наполненных полимерных композиционных
материалов.
Предметом исследования являются теоретические и методические вопросы
выбора оптимального состава и значений параметров технологических режимов
синтеза РП ДНПКМ при учете их физико-механических свойств.
Научная новизна работы заключается в следующем:
‒ разработаны новые математические модели свойств РП ДНПКМ,
позволяющие получить аналитическую зависимость между составом (или
параметрами технологических режимов синтеза) РП ДНПКМ и механическими
характеристиками РП ДНПКМ;
‒ разработан новый алгоритм выбора состава и значений параметров
технологических режимов синтеза нового РП ДНПКМ, отличающийся
возможностью оптимизации ранжированных свойств с оценкой рисков по
критерию Сэвиджа, позволяющий избежать бо́льших потерь и затрат при
создании материала;
‒ разработана структура системы поддержки принятия решения,
позволяющая автоматизировать процесс выбора состава и значений параметров
технологических режимов синтеза РП ДНПКМ, что обеспечивает получение
материалов с оптимальным уровнем основных показателей качества;
‒ получены новые экспериментальные результаты по механическим
характеристикам РП ДНПКМ на основе силикона и полиуретана.
Теоретическая значимость работы заключается в:
‒ установлении аналитической зависимости между составом (или
значениями параметров технологических режимов синтеза) РП ДНПКМ и их
механическими характеристиками;
‒ обосновании механизмов, обеспечивающих достаточную точность
прогнозирования состава (или значений параметров технологических режимов
синтеза) РП ДНПКМ соответствующих оптимизированным механическим
характеристикам РП ДНПКМ при их создании за счет применения критерия
Сэвиджа;
‒ необходимости включения блока оценки рисков, привносящего вклад
в расширение представлений о возможности автоматизации процесса принятия
решений по определению состава и значений параметров технологических
режимов синтеза вновь создаваемых РП ДНПКМ.
Практическая значимость работы заключается в:
‒ реализации предложенной методики выбора оптимального состава и
значений параметров технологических режимов синтеза РП ДНПКМ в
специальном программном обеспечении;
‒ верифицированном алгоритме выбора оптимального состава и
значений параметров технологических режимов синтеза РП ДНПКМ, который
может быть применен при создании новых функциональных материалов в
условиях малого предприятия;
‒ разработанных научно-методических основах выбора оптимальной
структуры РП ДНПКМ, примененных в условиях реального производства, что
позволяет сократить срок создания новых полимерных композиционных
материалов с необходимыми свойствами.
Внедрение результатов диссертационной работы осуществлено в АО НПП
«Краснознаменец», ООО «Изотроп», ООО «ОРЕОЛ ГАН», ООО
«Функциональные материалы» и ФГБОУ ВО «Балтийский государственный
технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова». Внедрение
результатов диссертации подтверждено актами (Приложение А).
Методы исследования. Проведенные теоретические и экспериментальные
исследования позволили достичь поставленной цели. В диссертации применены
следующие методы: структурного анализа; теории математического
моделирования; поддержки принятия решений, статистического анализа
В диссертационной работе поставлена и решена актуальная в научном
отношении и практически важная задача по разработке методики выбора
оптимального состава и значений параметров технологических режимов синтеза
радиопоглощающих дисперсно-наполненных полимерных композиционных
материалов (РП ДНПКМ). Получены следующие основные результаты:
1. Проведен системный анализ процесса создания РП ДНПКМ с
использованием инструментов управления качеством продукции (развертывание
функции качества (QFD-анализ) и структурный анализ по методологии IDЕF0), по
результатам которых выявлена актуальность разработки методики выбора состава
и значений параметров технологических режимов синтеза РП ДНПКМ на
начальных этапах его жизненного цикла.
2. Впервые разработана математическая модель свойств РП ДНПКМ для
определения состава и параметров технологических режимов синтеза РП ДНПКМ
с учетом максимизации ранжированных механических характеристик РП
ДНПКМ.
3. Впервые разработан алгоритм выбора состава и параметров
технологических режимов синтеза РП ДНПКМ с оценкой рисков, возникающих
при назначении уступки, позволяющий провести многокритериальную
оптимизацию механических свойств РП ДНПКМ, что снижает себестоимость и
повышает эффективность процесса создания новых РП ДНПКМ за счет снижения
рисков принятия его неоптимальной структуры.
4. Предложена новая структура автоматизированной системы поддержки
принятия решений о составе и технологических режимах синтеза РП ДНПКМ,
включающая блок оценки рисков.
5. Разработанные алгоритмы выбора состава и параметров технологических
режимов синтеза РП ДНПКМ реализованы в программном обеспечении,
позволяющем автоматизировать процесс принятия решения (Свидетельство о
государственной регистрации программы для ЭВМ № 2020616892).
6. Доказана достаточно высокая сходимость результатов расчетов по
разработанным и верифицированным математическим моделям, описывающим
влияние состава (или параметров технологических режимов синтеза) на свойства
РП ДНПКМ с экспериментальными данными путем сравнения рассчитанных по
предлагаемой методике и реальных характеристик РП ДНПКМ (погрешность не
превышает 4% для математических моделей вида «состав РП ДНПКМ – свойства
РП ДНПКМ» и 14% для математических моделей вида «технологические режимы
синтеза РП ДНПКМ – свойства РП ДНПКМ»).
7. Практическое применение разработанной методики выбора оптимального
состава и технологических режимов синтеза при создании полимерных
материалов позволило получить новый композиционный полимерный материал
для герметизации, защищенный патентом РФ на изобретение № 2 745 193 и
композиционный полимерный материал для герметизации радиоэлектронных
изделий, защищенный патентом РФ на изобретение № 2 748 798.
8. Основные результаты исследований приняты к использованию и
внедрены в: АО НПП «Краснознаменец» при проведении научных исследований
и проработок в области создания новых составов пиротехнических изделий; ООО
«Изотроп», ООО «ОРЕОЛ ГАН» и ООО «Функциональные материалы» при
разработке новых функциональных материалов; в учебном процессе ФГБОУ ВО
«Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф.
Устинова».
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ
ПКМ – полимерные композиционные материалы
РП ДНПКМ – радиопоглощающие дисперсно-наполненные полимерные
композиционные материалы
СФК – структурирование функции качества
КМ – композиционный материал
ПФЭ – полный факторный эксперимент
ПО – программное обеспечение
Читать «Методика выбора оптимальной структуры дисперсно-наполненных полимерных композиционных материалов с учетом их физико-механических свойств»
Публикации автора в научных журналах
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.8 (2878 отзывов)
4.8 (105 отзывов)
4.9 (826 отзывов)
4.7 (96 отзывов)
4.2 (13 отзывов)
4.2 (25 отзывов)
5 (174 отзыва)
4.8 (373 отзыва)
4.1 (20 отзывов)
