МГТУ им. Н.Э. Баумана (статьи)

В статье рассматриваются проблемы внедрения и использования математических пакетов в математических дисциплинах и при выполнении курсовых и дипломных работ студентами как математических, так и инженерных специальностей. Одной из важных проблем является недостаточное методическое сопровождение пакетов. Рассмотрены наиболее известные и широко используемые математические пакеты MathСAD, MATLAB, Mathematica и Maple в ОС Windows и их применение в преподавании общего курса математики, численных методов, многомерного статистического анализа и других дисциплин. Для каждого пакета приводятся их возможности, достоинства и недостатки. Даются рекомендации, в каких дисциплинах более эффективно их использовать. Приведены примеры выполнения заданий по линейной алгебре студентами первого курса и лабораторных работ по численным методам студентами второго курса МГТУ им. Н.Э. Баумана с использованием пакета MathCAD. Для старших курсов рассмотрены пакеты, предназначенные для обработки данных и их анализа.

Разработаны физическая и математическая модели плавки гололедных образований на грозозащитных тросах посредством теплоты, выделяемой при прохождении электрического тока. Исследован тепловой режим грозозащитного троса с оптоволоконным кабелем, получена аналитическая формула для расчета температуры троса с определением времени процесса удаления гололедных образований.

Показаны преимущества использования в дизелях биотоплив, производимых на основе растительных масел. Приведены результаты экспериментальных исследований дизеля типа Д-245.12С малотоннажного автомобиля ЗИЛ-5301 «Бычок», работающего на смесях дизельного топлива и метилового эфира подсолнечного масла. Подтверждена возможность значительного улучшения показателей токсичности отработавших газов исследуемого дизеля при его работе на смесевом биотопливе.

Представлены результаты экспериментального исследования коэффициентов гидравлического сопротивления и теплоотдачи в каналах с дискретной шероховатостью в виде кольцевой накатки сферических выступов при ламинарном, переходном и турбулентном режимах течения воды. Даны рекомендации по расчету указанных коэффициентов, определению границ ламинарно-турбулентного перехода и выбору оптимальных параметров интенсификаторов для получения максимальной теплогидравлической эффективности.

Проведен анализ изменения диссипации энергии конструктивных элементов ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ) при условии резонансного или околорезонансного взаимодействия с волновыми процессами газа. Это взаимодействие приводит к усилению амплитуды колебаний газа вследствие перераспределения энергии в конструктивных элементах. Процесс сопровождается изменением внутреннего объема камеры сгорания РДТТ. Увеличивается также амплитуда колебаний давления внутри камеры сгорания РДТТ. Анализ изменения диссипации энергии конструктивных элементов РДТТ необходим для предотвращения отказов двигателя в процессе его эксплуатации.

Изложена методика конечно-элементного анализа напряженно-деформированнного состояния камеры сгорания и сопловой части перспективного жидкостного ракетного двигателя. Рассмотрено циклическое нагружение конструкции на трех режимах работы. Исследование проведено в среде программного комплекса ANSYS. При составлении расчетной схемы применен метод подконструкций и учтено свойство циклической симметрии, что позволило существенно уменьшить размерность рассматриваемой задачи. По результатам расчета определены зоны появления пластических деформаций, критических с точки зрения малоцикловой усталости конструкции. Предложенная методика и созданные численные модели прошли практическую аппробацию.

Повышение эффективности воспламенения топливной смеси является одной из ключевых задач совершенствования генераторов высокоэнтальпийного потока (ГВЭП) с многократным запуском, в том числе с импульсным режимом работы. Одним из перспективных методов решения поставленной задачи является применение газодинамической системы воспламенения (ГСВ), которая состоит из сверхзвукового сопла и расположенного соосно с ним резонатора. Для надежной работы ГСВ в застойной зоне резонансной полости необходимо получить высокую температуру и определенный концентрационный состав топливной смеси. В статье представлены результаты расчетного исследования возможности интенсифицировать смешение компонентов топлива при использовании незамкнутой резонансной полости. На основе полученных данных определены геометрические и режимные параметры, при которых может быть существенно сокращено время выхода ГВЭП на номинальный режим работы. Результаты исследования могут быть использованы при разработке перспективных образцов силовых и энергетических установок, в том числе ЖРД малой тяги, технологических установок по напылению покрытий, абразивной резке материалов и др.

Рассмотрены способы дроссельного регулирования скорости движения выходного звена исполнительного двигателя возвратно-поступательного движения. Проанализирована энергетическая эффективность методов первичного и вторичного регулирования и проведена их оценка путем сравнения мощностей, развиваемых насосом, и КПД гидропривода. Дана сравнительная оценка суммарной силы трения в уплотнениях гидроцилиндра в зависимости от вида нагрузки на штоке и скорости движения поршня на прямом и обратном ходах.

Рассмотрены вопросы, связанные с оценкой затрат суммарной характеристической скорости, требуемой для восполнения спутниковых систем, функционирующих на круговых и близких к ним орбитах. Исследуются случай перевода спутника вдоль своей орбиты и случай перевода в заданную точку рабочей орбиты, имеющей существенное отличие в долготе восходящего узла. Полученные результаты могут быть использованы для минимизации энергетических и временных затрат при проектировании и формировании спутниковых систем.

Приведен обзор направлений научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, проводимых кафедрами факультета «Специальное машиностроение» за последние пять лет. Подтвержден принцип подготовки специалистов в МГТУ им. Н.Э. Баумана — обучение через науку и практику, который реализуется при выполнении кафедрами реальных работ, имеющих большое значение для промышленности страны.

Приведены данные об испытании спирального детандера. Дано описание экспериментального стенда. Сделан анализ полученных результатов и намечены перспективы дальнейшего совершенствования конструкции детандера.

Проведены исследования в области разработок систем кондиционирования воздуха легких самолетов и вертолетов, предложена концепция систем кондиционирования воздуха для таких летательных аппаратов. Результаты данной работы могут быть использованы при проектировании макета и опытного образца системы кондиционирования воздуха легких самолетов и вертолетов на стадиях разработки технических предложений, эскизного и технического проектирования.

Экспериментальные сведения о динамической вязкости диметилового эфира очень ограниченны. Для проведения данного исследования на кафедре Э-4 МГТУ им. Н.Э. Баумана был создан экспериментальный стенд, позволяющий проводить исследования вязкости жидкостей и газов методом капилляра в диапазоне температур от 40 до +60 при давлении до 3,5 МПа. Приведены описание этого стенда и результаты эксперимента.

Предложена объектная технология распределенной интеллектуальной САПР как рабочей среды для коллективной разработки сложных технических систем. Показаны исполнительные возможности интеллектуальной среды, ослабляющие требования к умению пользователей выполнять простые профессиональные функции, но усиливающие влияние принимаемых решений на конечный результат, что выдвигает на первый план компетентность в своей предметной области и в смежных областях, способность оперировать новыми знаниями и согласовывать принимаемые ответственные решения с соисполнителями. Обсуждены перспективы внедрения в образовательные технологии учебного сервера на основе интеллектуального ядра САПР для реализации компетентностного подхода в инженерном образовании.

В многопоточных программах может возникать состояние гонок ввиду отсутствия синхронизации при доступе к памяти. Для сбора информации о событиях динамическими методами выявления таких гонок требуется либо виртуальная машина, либо инструментирование исполняемого кода. В работе предложен метод динамического поиска гонок, использующий отношение предшествования и ограничение истории обращений. Метод реализован для анализа программ на языке С, для инструментирования исходного кода на этапе трансляции используется система LLVM. Как показывают проведенные эксперименты, применение предложенного метода позволяет сохранить накладные расходы на поиск гонок на приемлемом уровне.

Исследована тенденция перехода к «облачным» вычислениям при разработке инструментальных средств имитационного моделирования. Для разработки «облачных» сервисов имитационного моделирования предложено использовать язык Java. Представлено краткое описание библиотеки классов языка Java для разработки реализаций имитационных моделей в «облачных» сервисах. Рассмотрен пример реализации имитационной модели системы массового обслуживания типа M/М/1 в виде Java-апплета. Для проверки результатов моделирования представлен аналитический расчет модели и результаты, полученные на языке GPSS.

Рассмотрено применение двумерных интегральных преобразований для описания непрерывно-дискретных систем, позволяющих получать явные соотношения для непрерывных и дискретных реакций систем и обосновывать принятые на практике методы синтеза цифровых регуляторов.

Представлен метод моделирования колебаний различных механических систем с инерционным возмущением с использованием лабораторной установки. Приведено описание конструкции и работы этой установки, методики проведения исследований колебаний и построения расчетных и экспериментальных амплитудночастотных (АЧХ) и фазочастотных (ФЧХ) характеристик. Показано, что в силу подобия дифференциальных уравнений движения различных реальных промышленных объектов и данной экспериментальной установки, возможно применение последней для моделирования процессов колебаний указанных объектов. Приведены параметры подобия, позволяющие осуществлять такое моделирование и получать АЧХ и ФЧХ различных промышленных устройств.

Рассмотрен метод целевых издержек (target costing) как один из наиболее перспективных способов управления себестоимостью ракетно-космической техники в современных условиях, поскольку для покупателей ее перспективных образцов важно соотношение цены и качества. Достоверное измерение суммарных затрат на разработку и производство образцов данной техники позволяет управлять себестоимостью ее новых видов и соответственно прогнозировать нижнюю границу цены разрабатываемого образца.

Шумоподобные сигналы широко применяются для передачи полезной информации и обеспечения синхронизации. Представляет интерес разработка метода декодирования широкого класса шумоподобных сигналов, формируемых комбинированием нескольких исходных компонентных М-последовательностей по тому или иному правилу. Проведенные исследования основаны на положениях теории полей Галуа и на структурных свойствах шумоподобных сигналов. Показано, что разложение комбинированных кодовых последовательностей на компоненты возможно путем решения системы уравнений, связывающих между собой координаты элементов поля Галуа и входные символы декодируемой кодовой последовательности.

Представлены уравнения движения манипуляционных систем роботов, учитывающие инерцию приводов. Уравнения получены на основе уравнения Лагранжа второго рода и матриц преобразования однородных координат. Эти уравнения позволяют раздельно определять усилия, развиваемые двигателями приводов, и движущие усилия, прикладываемые непосредственно к звеньям манипуляционной системы для обеспечения заданного движения. В уравнениях выделена матрица гироскопических моментов, отражающая влияние инерции приводов на движение звеньев манипуляционных систем. Представленные уравнения имеют матричную структуру, удобную для компьютерного моделирования.

Представлен вариант комплексирования различных дистанционных оптических методов регистрации проявлений гидродинамических источников. Разработаны метод и алгоритм обработки сигналов используемых оптических локаторов. Приведены результаты натурного эксперимента по регистрации характерного гидродинамического возмущения (собственного отстающего поверхностного следа судна).

На основе алгоритмов вычислительной электродинамики разработан метод исследования процесса рассеяния терагерцового излучения в тканях одежды, позволяющий определять дифференциальное и интегральное сечения и индикатрису рассеяния терагерцового излучения. Проведена верификация данного метода, включавшая исследование характеристик рассеяния одиночного диэлектрического цилиндра и сравнение их с известным аналитическим решением. Рассмотрена структура нескольких видов тканей, в результате чего предложена математическая модель ткани в виде системы периодически расположенных диэлектрических цилиндров. В ходе вычислительного эксперимента получены характеристики рассеяния образцов нескольких видов тканей и их спектральные коэффициенты пропускания. Проведено сравнение полученных результатов с результатами экспериментальных исследований на терагерцовом спектрометре. Показана эффективность предложенного метода исследования процесса рассеяния.

Важность повышения надежности программного обеспечения обусловлена тем, что оно выполняет основные функции системного управления обработкой данных, и его отказы в работе могут существенно влиять на функционирование систем обработки данных в целом. Исследованы и разработаны подходы к математическому моделированию надежности программного обеспечения компьютерных систем и сетей, рассмотрены прогнозирование надежности, оценочные модели и измерение надежности программно-математического обеспечения. Для построения моделей надежности программного обеспечения использованы результаты теории мартингалов. Благодаря полученным условным распределениям (посредством решения задач фильтрации) можно охарактеризовать критерии надежности программного обеспечения.

Рассмотрена возможность применения вейвлетов Хаара для сжатия изображений. Предложен алгоритм видеосклейки для изображений, разложенных в вейвлет-ряд. Рассмотрены достоинства и недостатки использования вейвлет-преобразований для сжатия и обработки изображений в видеоинформационных системах мобильных роботов.

Рассмотрены вопросы, связанные с математическим моделированием поведения локальных экосистем на основе данных с космических средств наблюдения на примере сельскохозяйственных угодий. Основное внимание уделено построению аппроксимирующих математических моделей динамики изменения вегетационного индекса NDVI с учетом климатических воздействий на исследуемый объект и верификации моделей.

Исследован переход порядок — беспорядок в двумерной решетке атомов, взаимодействие между которыми описывается потенциалом Леннард-Джонса. Вычислительные эксперименты проводились методом молекулярной динамики. Показано, что функции парного распределения могут быть построены при помощи приближенного метода s-функций. Установлено, что в области перехода порядок — беспорядок температурная зависимость неупорядоченности структур не имеет скачка, в отличии от трехмерного случая.

Приведено описание существующих конструкций систем подрессоривания транспортных машин. Указаны основные преимущества и недостатки каждой из них. Разработана конструкция модернизированной системы подрессоривания на базе существующей системы подрессоривания гусеничной машины с пневмогидравлической рессорой. Проведено сравнительное исследование с помощью метода имитационного моделирования плавности хода транспортной машины с существующими и проектируемой системами подрессоривания. Для одной из существующих систем подрессоривания проведены полигонные испытания и анализ адекватности модели. Сделаны выводы относительно наиболее перспективных путей модернизации существующих систем подрессоривания. Указаны направления возможной модернизации существующих систем подрессоривания и повышения точности подбора упругих и демпфирующих характеристик подвески.

Предложены математическая модель, численные методы и программные алгоритмы для математического моделирования упругопрочностных характеристик неоднородных композиционных материалов с периодической микроструктурой. Проведены тестовые расчеты упругопрочностных характеристик тканевых композитов. Микроструктура исследуемых материалов уточнялась с использованием электронных микроскопов.

Рассмотрено влияние угла подъема винтовой лопасти на тяговоскоростные характеристики транспортно-технологического средства с роторно-винтовым движителем. Приведены результаты анализа компьютерного моделирования движения шнекохода с движителем изменяемой геометрии

Рассмотрены особенности конструкции бустерных турбонасосных агрегатов (БТНА) со шнеком сложной геометрии. При испытании таких агрегатов отмечается расхождение параметров, полученных расчетным путем, и характеристик, полученных при испытании, что указывает на необходимость дополнительного исследования гидродинамики БТНА и совершенствования методов расчета. Для минимизации этого расхождения предложено провести компьютерное моделирование процессов в гидравлических трактах шнека. Приведны результаты моделирования, которые будут проверены экспериментально на описанной конструкции.

Подтверждена эффективность использования в дизелях биотоплив, получаемых путем этерификации растительных масел. Проанализированы физико-химические свойства биодизельных топлив, производимых из различных сырьевых ресурсов. Представлены результаты определения фракционного состава этих топлив. Проведены экспериментальные исследования показателей дизеля Д-245.12С, работающего на смесях дизельного топлива, метилового эфира рапсового масла и метилового эфира подсолнечного масла различного состава.

Проведено экспериментальное исследование электромагнитного поля сверхзвуковой струи жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) при варьировании режимных параметров двигателя. Получены частотные и корреляционные характеристики датчика магнитного поля (ДМП), позволяющие проводить диагностику рабочего процесса ЖРД.

Исследовано совместное использование оптической и электронной микроскопии для комплексного изучения параметров микрооптических и дифракционных элементов. В качестве исследуемого образца использован микролинзовый растр. Разработана методика для контроля параметров образцов микрооптических и дифракционных элементов.

Рассмотрены методы контроля формы и качества поверхностей крупногабаритных оптических деталей. Приведена современная методика измерения параметров неоднородностей профиля оптических поверхностей различных периодов пространственных частот на основании расчета функции спектральной плотности мощности PSD(vx, vy). Рассмотрены требования, предъявляемые к качеству оптических поверхностей высокоточных деталей в соответствии с данной методикой. Проведен анализ существующего интерферометрического оборудования, технические характеристики которого позволяют проводить измерения в выделенных спектральных диапазонах с необходимой погрешностью. Рассмотрена возможность использования интерферометров NanoCam Dynamic Profiler (4D Technology) и Intellium H2000 (ESDI) для контроля крупногабаритных оптических деталей.

Исследованы СВЧ устройства на основе копланарных волноводов, содержащих метаматериалы. Показана возможность их применения в полосковых волноводных структурах

Определена оптимальная с позиции расхода энергии траектория управляемого движения электрически заряженных масс в электромагнитном пространстве, что позволяет расширить имеющиеся представления о возможных оптимальных перемещениях в гравитационных и электромагнитных полях и закладывает математические основы для реализации в будущем сверхдальних и сверхбыстрых полетов в космосе.

С помощью статистического моделирования исследована точность оценок параметров степенной модели Кокса — Лемана. Разработан метод, основанный на минимизации статистики типа Кифера — Гихмана.

Представлены результаты многолетней оригинальной научно-исследовательской работы, проводимой на кафедре «Теоретическая механика» МГТУ им. Н.Э. Баумана по созданию и совершенствованию исследовательского комплекса динамики механических систем, который предназначен для применения в научной работе и учебном процессе. Комплекс включает в себя модельные установки, позволяющие проводить исследования по отдельным разделам механики, автоматизированные лабораторные установки с применением современных информационных технологий.

Исследовано разрушение уплотнений, возникающих в момент открытия шаровых кранов прямого действия. Приведены методика определения усилий, действующих на уплотнение в процессе работы крана, и результаты экспериментальных исследований, подтверждающих правомерность выбора методики расчета.

Рассмотрены вопросы исследования рабочих процессов в установке вакуумного концентрирования химических и молекулярно-биологических образцов. Описана разработанная на основе результатов исследований математическая модель процесса испарения из пробирок и приведено сравнение ее числового решения с экспериментальными данными.

Приведены результаты экспериментального исследования высоконапорной вихревой ступени с новой аэродинамической схемой. Представлены рекомендации по геометрии ступени, позволяющие повысить ее эффективность.

Исследовано пространственно-неоднородные течение разреженного газа в канале с потоком металлического пара при молекулярно-вязкостном режиме течения. Предложена статистическая математическая модель для расчета параметров газа на основе метода частиц в ячейках, позволяющая учесть поглощение молекул газа металлическим паром.

Изложены результаты исследований сотрудниками кафедры «Прикладная механика» концентрации напряжений в проушинах и болтовых соединениях за последние 35 лет.

Рассматриваются структура интерактивной системы управления пожарным разведывательным роботом, особенности построения стратегического уровня управления, обеспечивающего идентификацию ситуации, а также тактического и исполнительного уровней управления. Обосновывается использование метода пропорциональной навигации для автоматического наведения робота на источник возгорания. Приводятся результаты математического моделирования и экспериментального исследования разрабатываемой робототехнической системы.

Развитие газопорошковой лазерной наплавки позволяет расширить области ее применения при восстановлении ответственных деталей машин. Одним из главных показателей качества нагруженного функционального покрытия является его пористость. Проведено исследование пористости покрытий из никелевого и кобальтового сплавов, полученных с использованием импульсно-периодического и непрерывного лазерного излучения. Установлены характер расположения пор, их типичные размеры и влияние некоторых параметров технологии на процесс порообразования в указанных покрытиях.

Обоснована необходимость и основные подходы к разработке интерфейса оператора систем управления технологическими процессами, проанализированы задачи, стоящие перед разработчиком, а также принципы создания эргономичного интерфейса и методы его реализации.

Приведена математическая модель оценки глубины сварного соединения при сварке с глубоким проплавлением различных материалов лазерным лучом для практических инженерных расчетов. Глубина проплавления материала определена по усредненному значению скорости испарения, изменение которой в зависимости от времени аппроксимировалось экспонентой. Для проверки адекватности модели проведено сравнение расчетных данных с экспериментальными данными, полученными в ходе проведения лазерной сварки на волоконном лазере ЛС 4-К низкоуглеродистой стали Ст3. Доказана их взаимная корреляция.

Предложена модель равновесной структуры магнитных сплавов на основе системы Fe–Cr–Co, которая представляет собой сильно вытянутые по направлению выделения ферромагнитной фазы, изолированные прослойками парамагнитной матрицы. Такая структура формируется при спинодальном распаде сплавов на основе системы Fe–Cr–Co с объемно центрированной кубической решеткой. Данная модель использована для вычисления вклада энергии упругих деформаций кристаллических решеток когерентно сопряженных фаз в свободную энергию образования сплава, и с ее помощью получены уточненные значения концентраций компонентов в состоянии фазового равновесия.

В процессе структурирования ледового покрытия для спортивных арен необходимо прецизионное поддержание значений концентрации модификаторов в поверхностном слое льда. Приведены экспериментальные данные о влиянии изменения концентрации на длину пробега тестового прибора-скользиметра. Разработана расчетная модель, позволяющая определять концентрации модификаторов в поверхностном слое льда при периодических его обновлениях с погрешностью 7. . . 13% (в сравнении с экспериментальными данными). Представлены изображения структур модифицированных ледовых покрытий, полученные с помощью растрового криоэлектронного микроскопа.