Универсальный алгоритм разработки новых композиционных мате-риалов, обладающих заданными потребительскими свойствами icon

Универсальный алгоритм разработки новых композиционных мате-риалов, обладающих заданными потребительскими свойствами




Скачати 172.4 Kb.
НазваУниверсальный алгоритм разработки новых композиционных мате-риалов, обладающих заданными потребительскими свойствами
Дата01.06.2012
Розмір172.4 Kb.
ТипДокументи
1. /материал.docУниверсальный алгоритм разработки новых композиционных мате-риалов, обладающих заданными потребительскими свойствами


M.Kats, V.Kestelman, A.Davidenko. Methodology of developing a new composite material with specified combination of physical and chemical properties or utilization qualities. Scientific Izrael - Technological advantages, № 1-2 “Civil engineering & materials engineering, vol. 5, 2003, h.138-143.


Универсальный алгоритм разработки новых композиционных мате-риалов, обладающих заданными потребительскими свойствами.

М.Д.Кац, В.Н. Кестельман, А.М.Давиденко.


В методическом плане задача разработки новых композиционных материалов сводится к выбору из множества М компонентов подмножества N, определения оптимальных соотношений между выбранными компонентами и условий переработки полученной смеси в материал, обладающий заданным комплексом физико - химических свойств (потребительских свойств) - [Y].

Ассортимент композиционных материалов чрезвычайно разнообразен. К ним относятся: металлы, сплавы, продукты порошковой металлургии, металлокерамика, керамика, резины, латексы, пластические массы, выпускные формы красителей и пигментов, катализаторы, смесевые формы лекарственных препаратов и множество других продуктов, во многом определяющих технический прогресс.

Разработка каждого из этих материалов ведётся специалистами на основании фундаментальных подходов и специальных знаний, накопленных в соответствующих предметных областях. [1].

Создание практически любого нового материала является сложной некорректно поставленной задачей. Высокая размерность векторов входных (Х) и выходных (Y) переменных, существенная, априори неизвестная, нелинейная зависимость между ними, несогласованность выходных переменных (оптимизация по одному из них ухудшает потребительские свойства других) и т.п. являются объяснением тому, что попытки получения новых материалов с заданными свойствами на основании фундаментальных исследований, как правило, к успеху не приводят. Известно, что уровень развития таких подходов даже в самой передовой в научном плане области материаловедения - металловедении существенно недостаточен для создания новых материалов с заданными свойствами, более того, считается, что осуществление такого подхода - весьма отдалённая перспектива [2].

После появления процедуры планирования экспериментов [3,4] показалось, что, наконец, найден универсальный алгоритм решения задачи создания новых материалов с заданными свойствами. Однако многолетний опыт его использования показал, что и на этом пути исследователя ожидают весьма скромные достижения [5].

Низкая эффективность использования фундаментальных подходов и классического планирования экспериментов при разработке новых материалов объясняются несоответствием их возможностей сложности задачи, которое проявляется в первую очередь в дефиците априорной информации, необходимой для задания структур соответствующих моделей.

Учитывая актуальность задачи, отсутствие на сегодняшний день корректных методов её решения, и то обстоятельство, что в методическом плане разработка новых композиционных материалов (металлов, сплавов, резин, пластмасс, катализаторов, смесевых форм лекарственных препаратов, выпускных форм красителей и пигментов и др.) инвариантна к их назначению, способу получения, размерности векторов входных параметров и выходных показателей, задача разработки новых композиционных материалов была сформулирована в следующей математической постановке.

ДАНО:

- Область Р пространства входных переменных X, заданная диапазонами возможных значений множества компонентов смеси и параметров технологического режима переработки смеси в материал.

- Требования к разрабатываемому материалу, заданные допустимыми ограничениями на значения каждого из t выходных показателей [Yj].

НЕОБХОДИМО:

- Определить оптимальные соотношения между выбранными компонентами смеси и условия переработки смеси в материал, обладающий заданным комплексом физико-химических (потребительских, служебных) свойств.

Для решения этой задачи разработана, математически обоснована и прошла успешную практическую проверку, основанная на принципах искусственного интеллекта методология экспериментального исследования, объединяющая идеи однофакторного эксперимента, многомерного направленного случайного поиска и принципиально новые методы идентификации (метод мозаичного портрета [6, 7] субоптимизации (метод логического программирования [7-10]).

Предлагаемая методология состоит из 5 этапов и реализуется следующим образом.


1. ПОСТРОЕНИЕ ОДНОМЕРНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ МЕЖДУ ВХОДНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ И ВЫХОДНЫМИ ПОКАЗАТЕЛЯМИ.

1.1. В пространстве входных параметров X на основании априорной информации специалистов задается область исследования Р. Эта область определяется диапазонами возможных значений:

- отношений каждого из компонентов к базовому компоненту, имеющему постоянное значение при проведении исследования;

- технологических параметров, определяющих условия получения материала.

Для удобства и единообразия представления экспериментальной информации осуществляется переход к измерению значений каждого параметра в интервале от 0 (Xi min) до 1 (Xi max).

1.2. Проводят 2n+1 опытов в соответствии с планом эксперимента, представленным в таблице, и опытным путем определяют значения соответствующих выходных показателей.


План эксперимента для изучения зависимостей между входными ПАРАМЕТРАМИ И выходными пОКАЗАТЕЛЯМИ.


NN

Значения входных параметров

Значения выходных показателей




X1

X2

X3

...

Xi

...

Xn

Y1

...

Yj

...

Yt

1

0.5

0.5

0.5

...

0.5

...

0.5

Y11

...

Yj1

...

Yt1

2

0

0.5

0.5

...

0.5

...

0.5

Y12

...

Yj2

...

Yt2

3

1

0.5

0.5

...

0.5

...

0.5

Y13

...

Yj3

...

Yt3

4

0.5

0

0.5

...

0.5

...

0.5

Y14

...

Yj4

...

Yt4

5

0.5

1

0.5

...

0.5

...

0.5

Y15

...

Yj5

...

Yt5

6

0.5

0.5

0

...

0.5

...

0.5

Y16

...

Yj6

...

Yt6

7

0.5

0.5

1

...

0.5

...

0.5

Y17

...

Yj7

...

Yt7

...

...

...

...

...

...

...

...

...

...

...

...

...

k

0.5

0.5

0.5

...

0

...

0.5

Y1k

...

Yjk

...

Ytk

k+1

0.5

0.5

0.5

...

1

...

0.5

Y1k+1

...

Yjk+1

...

Ytk+1

...

...

...

...

...

...

...

...

...

...

...

...

...

2n

0.5

0.5

0.5

...

0.5

...

0

Y1n

...

Yjn

...

Ytn

2n+1

0.5

0.5

0.5

...

0.5

...

1

Y1n+1

...

Yjn+1

...

Ytn+1


В таблице: n - количество входных параметров; t - количество выходных показателей; i - номер входного параметра; j - номер выходного показателя; k - номер опыта.

1.3. Поскольку первые три опыта таблицы различаются только значениями входного параметра X1 и соответствующими им значениями выходных показателей Yj, то по координатам X1k и Yjk (k=1,3) могут быть построены графические и аналитические зависимости Yj=Fj(X1), j= 1,t. (1).

1.4. Аналогично для каждой Xi, i=2,n соответствующие зависимости Yij=Fij(Xi), могут быть получены также по трем опытам (NN1, k=2i, k+1=2i+1).

Таким образом, независимо от размерности вектора выходных показателей для изучения зависимостей (1) необходимо всего N=2n+1 опытов. Это число опытов является абсолютно минимальным, так как уменьшение его даже на один опыт приведёт к случаю, когда кривую, соответствующую зависимости (1) нужно будет строить по двум точкам, что невозможно.


2. НАПРАВЛЕННЫЙ СЛУЧАЙНЫЙ ПОИСК СОСТАВА И ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ МАТЕРИАЛА С ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ.

2.1. Выбор начальной точки в пространстве входных параметров для последующего случайного поиска осуществляется следующим образом.

Если выходной показатель один, то по каждой из зависимостей полученных на первом этапе, находят оптимальные значения Xi*, которым соответствует оптимальное значение Y*, а координаты оптимальной точки X* в пространстве входных параметров определяют из условия X*={X1*,X2*,...Xn*}.

Если выходных показателей несколько, то по каждому из графиков Yj=Fij(Xi), i=1,n, j=1,t находят компромиссное значение Xi*, которому соответствует лучшее значение комплексного критерия Y={Yj}, j=1,t, а координаты точки Х* в пространстве входных параметров определяют из условия X*={X1*,X2*,...,X*n}.

2.2. В топологической окрестности точки Х* случайным образом задают координаты нескольких точек Х1, X2,...,Хp, p=3-5, и экспериментально находят соответствующие значения Y1,Y2,...,Yp. Если в какой - либо из этих точек Yi>Y*, переходят к п.2.3., если нет - продолжают серию опытов до тех пор, пока это условие не будет выполнено.

2.3. Для реализации второй серии повторяют п. 2.2., но в качестве исходной точки, вокруг которой организуется поиск, берут лучшую точку из первой серии.

2.4. Третью и последующие серии реализуют путем повторения пп.2.2. и 2.3. до тех пор, пока не будут достигнуты заданные значения по всем выходным показателям.


3. ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМНОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ЗАВИСИМОСТИ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИХ СВОЙСТВ РАЗРАБАТЫВАЕМОГО МАТЕРИАЛА ОТ СОСТАВА КОМПОЗИЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ.

Идентификация многомерного нелинейного объекта по экспериментальным данным при практически полном отсутствии априорной информации о структуре модели в классе детерминированных моделей может быть осуществлена с помощью формально-логических методов, использующих дискретные шкалы наименований для измерения входных и выходных переменных [7].

В качестве исходной для построения модели используется экспериментальная информация, полученная при реализации 1-ого и 2-ого этапов. При этом алгоритм построения модели реализуется следующим образом.

3.1. Осуществляется переход от континуальных шкал к дискретным при измерении выходных показателей.

Комплексный критерий оценки потребительских свойств разрабатываемого материала в строке таблицы k принимает значение Yk=1 ("хорошо"), если все Yjk удовлетворяет заданным ограничениям, или Yk=0 ("плохо"), если хотя бы один из них не удовлетворяет этим ограничениям.

3.2. Осуществляется переход от континуальных шкал к дискретным при измерении входных параметров.

Диапазон значений каждого параметра Хi из таблицы экспериментального материала делится на 3 поддиапазона из условия попадания одинакового (примерно одинакового) количества опытов в каждый поддиапазон. Каждому поддиапазону присваивается соответствующий номер (код).

3.3. В соответствии с пп. 3.1 и 3.2 осуществляют переход от таблицы экспериментального материала к новой таблице, в которой значения входных и выходных параметров представлены кодами соответствующих поддиапазонов.

3.4. По таблице, полученной по п.3.3, ищут сочетания кодов входных параметров, которые встречаются в опытах с одним значением комплексного критерия (например, Y=1) и не встречаются ни в одном опыте со значением (Y=0), и наоборот.

Каждое такое сочетание (высказывание) интерпретируется как формальная, непротиворечивая на данном экспериментальном материале гипотеза о системных закономерностях, связывающих входящие в нее параметры с комплексом потребительских свойств.

Большинство этих гипотез являются новыми, нетривиальными и, после соответству-ющей содержательной интерпретации специалистами, приобретают статус системных гипотез, в которых содержатся новые знания о разрабатываемом материале.

Две дизъюнкции, каждая из которых объединяет высказывания (гипотезы), принад-лежащие к одному из классов выходной переменной, и составляют системную математическую модель объекта.


4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СООТНОШЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ СМЕСИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА ЕЕ ПЕРЕРАБОТКИ В МАТЕРИАЛ, ОБЛАДАЮЩИЙ ЗАДАННЫМ КОМПЛЕКСОМ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИХ СВОЙСТВ.

Задача определения соотношения компонентов смеси и технологического режима ее пе-реработки в материал, обладающий заданным комплексом потребительских свойств решается с помощью метода логического программирования по системной модели, полученной на третьем этапе реализации методологии.

Методической основой метода логического программирования являются принятые в алгебре логики аксиомы оценки истинности составных высказываний (составное высказывание истинно, если получено путем объединения простых истинных высказываний, и ложно, если содержит хотя бы одно простое ложное высказывание).

Если высказывания, входящие в дизъюнкцию с Y=1, принять за простые истинные, а входящие в дизъюнкцию с Y=0 - за простые ложные, то составное высказывание, полученное путем объединения простых истинных высказываний, включающее в себя все n входных параметров, и не содержащее ни одного сочетания кодов, соответствующего ложным высказываниям, будет описывать соотношение компонентов и условия получения материала, при которых обеспечивается выполнение заданных требований к каждому из выходных показателей.

Следует отметить, что задачи построения дискретной математической модели (п.3) и оптимизации изучаемого объекта с помощью этой модели (п.4) относятся к NP-полным задачам, практически неразрешимы при количестве входных параметров более 10.

Нами разработаны методы решения этих 2-ух NP-полных задач за полиномиальное от количества входных параметров время.

Использование нашей методологии позволяет при минимальных затратах на экспери-ментальные исследования получить три содержательные математические модели зависимости потребительских свойств композиционного материала от соотношения компонентов и условий его получения.

С помощью 1-ой модели осуществляется редукция изучаемой системы к её элементным свойствам, что позволяет исследовать закономерности, связывающие каждую пару входных Xi и выходных Yj переменных. Эти зависимости зачастую нетривиальны, т.к. строятся с учетом контекста задачи (влияния остальных входных переменных).

С помощью 2-ой (мозаичной) модели осуществляется редукция изучаемой системы к её системным свойствам, что позволяет исследовать зависимости комплексного критерия оценки потребительских свойств разрабатываемого материала от взаимного влияния элементов состава композиции и параметров ее переработки в материал.

С помощью третьей (логической) модели получают решение поставленной задачи в виде описаний множества участков пространства входных параметров Rf, каждое из которых интерпретируется как рекомендация по составу смеси и технологии ее переработки в материал, обладающий заданными свойствами.


5. РАЗРАБОТКА ЗАЯВКИ НА ПАТЕНТ.

ПРЕДЛАГАЕМАЯ МЕТОДОЛОГИЯ ПРЕДСТАВЛЯЕТ СОБОЙ АЛГОРИТМ ИЗОБРЕТЕНИЯ В ОБЛАСТИ СПОСОБОВ ПОЛУЧЕНИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ.

Поскольку описания участков Rf строятся с помощью формализованной процедуры логического программирования из богатой новой неизвестной ранее информацией мозаичной модели, многие из них открывают новые возможности получения материала.

Если при разработке какого - либо материала в качестве аналога имеется патент - прототип, формулу его изобретения можно представить в виде соответствующего описания Ra. Если для какого-либо Rf хотя бы одна выходная переменная Yj будет иметь значение выше, чем в прототипе, формула изобретения на материал (способ получения материала) может быть получена с помощью следующей формализованной процедуры:

1. Ограничительная часть: Способ получения...(общая часть описаний Ra и Rf).

2. Цель изобретения: Отличающийся тем, что с целью увеличения значения Yj,...

3. Отличительная часть - часть свойственная только Rf (логическая разность Rf\Ra).

Имеется многолетний опыт эффективного применения этой методологии для разработки новых материалов. Например, с её помощью разработаны выпускные формы красителей и пигментов (пигмента розового С хинокридонового, пигмента красно-фиолетового тиоиндигоидного, красителя синего антрахинонового, красителя дисперсного жёлтого 35-72ф полиэфирного,.пигмента ярко-зелёного фталоцианинового, красителя дисперсного ярко-алого, кубогена алого 5-75 и др.,по потребительским свойствам соответствующие (а по некоторым показателям превосходящие) все известные импортные аналоги. [11,12]


.

Литература.

1. Приходько Э.В. О перспективах развития методов моделирования физико-химических систем. // Известия вузов. Чёрная металлургия. - 1991, N 12.- с.7-13.

2. Пикеринг Ф.Б. Физическое металловедение и разработка сталей. - М.: Металлургия, 1982. -184 с.

3. Налимов В.В., Чернова Н.А. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. М.: Наука, 1965.- 340 с.

4 Новые идеи в планировании эксперимента. / Под ред. В.В. Налимова. - М.: Наука, 1969.- 334 c.

5. Налимов В.В. Планирование эксперимента. Найдут ли новые проблемы новые решения? //Журнал ВХО им. Д.И. Менделеева, - 1980, N1.- с.3-4.

8. Маркова Е.В., Адлер Ю.П., Грановский Ю.В. //Журнал ВХО им. Д.И. Менделеева.- 1980, N1.- c.4.

6. Кац М.Д. Новый метод моделирования химико-технологических процессов по экспериментальной информации. // Автоматизация химических производств. 1982, N2,- c.13-19.

7. Кац М.Д. Разработка методов идентификации и субоптимизации для управления технологическими процессами малотоннажной химии: Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук. - Харьков, 1992. - 40 с.

9. Кац М.Д. Метод оптимизации химико-технологических процессов по информации, получаемой в режиме нормальной эксплуатации. //Автоматизация химических производств, - 1980, N2, c.5-8.

10 Кац М.Д. Субоптимизация химико-технологических процессов формально-логически-ми методами. // Химическая технология, - 1988, N10, - с.55-57.

11. Кац М.Д. и др. Разработка технологии получения выпускной формы хинакридонового пигмента с использованием метода логического программирования. // Химическая промыш-ленность, - 1981, N 7.- с.17-18.

12. Кац М.Д. и др. Использование метода логического программирования для оптимизации способа применения и стандартизации технического кубогена.// Химическая про-мышленность. - 1983, N 1.- с.43-45.



Схожі:

Универсальный алгоритм разработки новых композиционных мате-риалов, обладающих заданными потребительскими свойствами iconОт греческого слова
Етода в тече­ние последующих 15 лет было отсутствие подходящих источников света. Эти источники должны обладать особыми свойствами...
Универсальный алгоритм разработки новых композиционных мате-риалов, обладающих заданными потребительскими свойствами iconПовышение триботехнических свойств чугунов с мелкозернистым компактным графитом бейнитной закалкой
Одной из основных задач современного материаловедения является разработка и создание новых сплавов и новых функциональных материалов...
Универсальный алгоритм разработки новых композиционных мате-риалов, обладающих заданными потребительскими свойствами iconМеханизм образования углеродных нанотрубок
Получать одностенные углеродные нанотрубки (оунт) с заданными свойствами можно лишь при полной ясности механизмов зарождения их центров...
Универсальный алгоритм разработки новых композиционных мате-риалов, обладающих заданными потребительскими свойствами iconНауку – в производство
Цель конференции – обобщение опыта разработки и внедрения в производство новых инструментов и технологий, металлорежущего оборудования...
Универсальный алгоритм разработки новых композиционных мате-риалов, обладающих заданными потребительскими свойствами iconНауку – в производство
Цель конференции – обобщение опыта разработки и внедрения в производство новых инструментов и технологий, металлорежущего оборудования...
Универсальный алгоритм разработки новых композиционных мате-риалов, обладающих заданными потребительскими свойствами iconОлейник О. В., д э. н., проф. Житомирский государственный технологический университет проблемы и перспективы институализации информационно-аналитической деятельности в украине
Ения в институциональной среде, происходящие с конца ХХ в., обусловливают необходимость разработки новых и усовершенствования существующих...
Универсальный алгоритм разработки новых композиционных мате-риалов, обладающих заданными потребительскими свойствами iconУчебное отделение "Образование для бизнеса"
Вы заинтересованы в своей «стоимости» на рынке труда, в получении новых знаний, а значит и новых возможностей, в повышении эффективности...
Универсальный алгоритм разработки новых композиционных мате-риалов, обладающих заданными потребительскими свойствами iconД., Емченко Е. А. Метод генерации новых идей при обучении техническому творчеству постановка проблемы
Отсюда проблема поиска новых методов и средств обучения студентов творческому мышлению и техническому творчеству приобретает в настоящее...
Универсальный алгоритм разработки новых композиционных мате-риалов, обладающих заданными потребительскими свойствами iconА. А. Литвиненко, доц
Предлагается алгоритм численного метода решения систем обыкновенных дифференциальных уравнений (задачи Коши), представляющий собой...
Универсальный алгоритм разработки новых композиционных мате-риалов, обладающих заданными потребительскими свойствами iconСпираль развития цивилизации нашей эры на примере государства Российского, вписанная в Универсальный периодический закон творения

Универсальный алгоритм разработки новых композиционных мате-риалов, обладающих заданными потребительскими свойствами iconИнформационный бюллетень новых поступлений в библиотеку доннту март 2013 г
«Бюллетень новых поступлений» включает информацию об изданиях (книги, авторефераты диссертаций, диссертации, статьи, из журналов...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи