Применение ЭВМ в технологии переработки полимеров

материала в системе его основные и специфические свойства, указывать на возможную взаимозаменяемость материалов. Естественная систематика должна дополняться экономической систематикой, так как необходимо учитывать трудовые, энергетические и прочие затраты на производство ТМ.

Общее материаловедение должно предложить обобщенные принципы, способы или операции по созданию, модификации ТМ и описанию поведения ТМ в условиях эксплуатации (т. е. действия многообразных механических, физико-химических, биохимических и других воздействий). Необходимо отметить, что все сочетания, математические или химические, являются бинарными операциями. Символ бинарной операции, используемый для установления связи между любыми двумя элементами, указывает требуемый способ взаимодействия. Разработка формализованных процедур весьма важна также для применения вычислительной техники в задачах поискового физико-химического конструирования ТМ.

Фундаментальной задачей материаловедения является установление зависимости в триаде состав - структура - свойства. Однако создание технического материала неизбежно требует выбора определенной технологии изготовления и учета особенностей изделия. В общем виде взаимосвязь основных проблем создания и выбора ТМ представлена на рис. 2.1.

21

Рис. 2.1. Взаимосвязь основных проблем материаловедения и выбора ТМ для изделия

Современные технические материалы подразделяются на конструкционные и функциональные (электропроводные, магнитные, смазки, лакокрасочные покрытия, теплозащитные материалы и т. д.). По своему составу в большинстве случаев технические материалы являются многокомпонентными и микро- или макрогетерогенными (уровни гетерогенности можно иерархически распространить вплоть до надмолекулярных структур субмикронных размеров). Количество компонентов в резинах и пластмассах может достигать 20 и более. Функции компонентов весьма разнообразны и обеспечивают не только необходимый комплекс исходных (физико-механических свойств, но и сохранение этих свойств во времени (стабилизацию), а в некоторых случаях и направленное изменение свойств в процессе эксплуатации (адаптацию). Осуществление функции стабилизации и адаптации свойств функционально-активными компонентами аналогично функции управления в технических системах. Большинство современных материалов содержит также технологические добавки, позволяющие повысить эффективность технологии получения и

22

переработки материалов.

В большинстве многокомпонентных материалов можно выделить матрицу или связующее (в резинах - это каучук, в пластмассах - термопластичный или термореактивный полимер), дисперсный наполнитель, растворенные низкомолекулярные вещества (пластификаторы, противостарители), химически связанные с матрицей вещества (структурирующие агенты, модификаторы и т. д.), мигрирующие на поверхность вещества (защитные воски, антифрикционные компоненты и т.п.). Нежелательными, но неизбежными компонентами являются примеси. Все составляющие материала связаны физическими и химическими связями в целостную систему.

Технические материалы характеризуются значительным количеством (более 100) физико-химических и эксплуатационных параметров.

Описание ТМ может быть осуществлено с использованием различных подходов: детальное описание химической и физической структуры (представление химика-разработчика ТМ и физика-химика-исследователя), характеристика технологических и эксплуатационных свойств (представления технолога и конструктора-пользователя ТМ), экономическое описание ТМ и процесса его производства (представление экономиста), логическая схема взаимосвязанных атрибутов, характеризующих материал как объект информационно- поисковой системы (представление администратора банка данных) и т. д. Наличие принципиально различающихся описаний неизбежно для сложных систем. Применяя разноплановые описания и различные способы декомпозиции объекта, мы выражаем не только сущность, но и наше отношение к сущности объекта, подчеркиваем класс свойств, которые представляются интересными [12-18].

23

2.2 Системное и функционально-физическое

описание технических материалов

Большое разнообразие эксплуатационных сред, широкий диапазон температурных и механических воздействий на полимерные материалы и связанное с этим большое разнообразие технических материалов требует общего концептуального подхода также к проблеме разработки новых эффективных уплотнительных материалов, описания их поведения в агрессивных средах и оценке работоспособности. Таким общим концептуальным подходом является системный подход. В основе системного подхода лежит представление рассматриваемого объекта в виде системы, т.е. целостного множества взаимосвязанных элементов любой природы. Главным критерием, устанавливающим необходимость данного элемента в системе, является его участие в процессе функционирования системы, приводящее к получению заданного результата. Системный подход допускает функционально обоснованное расчленение любой системы на подсистемы, объем и количество которых определяется составом системы и масштабом рассмотрения [14]. Одним из эффективных методов системного подхода, формализующих описание и делающих его инвариантным для широкого круга технических объектов, является функционально-физический анализ технических объектов [19-21].

Системный подход основывается на общей теории систем. Теория систем - направление системных исследований, целью которых является изучение различных видов и типов систем; основных принципов и закономерностей поведения, функционирования и развития. Ниже изложены основные понятия системного подхода.

Существует более 200 определений понятия «система». В Википедии (2010г.) это понятие определяется следующим образом:

24

Система – это некоторое множество взаимосвязанных объектов, организованных связями в некое единое целое.

Подсистема - система, являющаяся частью другой системы. Надсистема - более крупная система, частью которой является рассматриваемая система.

Система (в системном анализе) - набор сущностей и их связей, выделенных из среды на определенное время и с определенной целью. Любой неэлементарный объект можно рассмотреть как систему, выделив в нём отдельные части и определив взаимодействия этих частей, служащих какой-либо функции.

Можно добавить, что один тот же объект можно представить в качестве разных систем, при этом число способов системного представления объекта не имеет ограничений.

Науки, занимающиеся изучением систем: кибернетика, общая теория систем (ОТС), системный анализ, теория систем, термодинамика, ТРИЗ, системная динамика.

Системы могут быть открытыми или закрытыми:

-Закрытые системы - изолированные системы, у которых отсутствует какой-либо обмен энергией, материей и информацией с окружающей средой. Для закрытых систем характерно увеличение беспорядка (второй закон термодинамики).

-Открытые системы, в отличие от закрытых, обмениваются энергией, материей или информацией с окружающей средой. В открытых системах могут происходить явления самоорганизации, усложнения или спонтанного возникновения порядка. Кроме того, различают термодинамические системы, диссипативные системы, динамические системы, живые системы, социальные системы.

Системы имеют ряд свойств связанных с целями и функциями:

25

-синергичность - однонаправленность (или целенаправленность) действий компонентов усиливает эффективность функционирования системы;

-приоритет интересов системы более широкого (глобального) уровня перед интересами её компонентов;

-эмерджентность (лат.: «выбивающийся», англ.: «возникновение нового») - цели (функции) компонентов системы не всегда совпадают с целями (функциями) системы;

-мультипликативность — как позитивные, так и негативные эффекты функционирования компонентов в системе обладают свойством умножения, а не сложения;

-целенаправленность;

-альтернативность путей функционирования и развития.

Свойства, связанные со структурой:

-целостность - первичность целого по отношению к

частям;

-неаддитивность - принципиальная несводимость свойств системы к сумме свойств составляющих её компонентов;

-структурность - возможна декомпозиция системы на компоненты, устанавливание связей между ними;

-иерархичность - каждый компонент системы может рассматриваться как система (подсистема) более широкой глобальной системы.

Свойства, связанные с ресурсами и особенностями взаимодействия со средой:

-коммуникативность - существование сложной системы коммуникаций со средой в виде иерархии;

-взаимодействие и взаимозависимость системы и внешней

среды;

-адаптивность - стремление к состоянию устойчивого равновесия, которое предполагает адаптацию параметров

26

системы к изменяющимся параметрам внешней среды (однако «неустойчивость» не во всех случаях является дисфункциональной для системы, она может выступать и в качестве условия динамического развития);

- надёжность - функционирование системы при выходе из строя одной из её компонент, сохраняемость проектных значений параметров системы в течение запланированного периода.

Другие свойства системы:

-интегративность - наличие системообразующих, системосохраняющих факторов;

-эквифинальность - способность системы достигать состояний, не зависящих от исходных условий и определяющихся только параметрами системы.

-наследственность.

Техническая система (ТС) состоит из элементов (составных частей, различающихся свойствами, проявляющимися при взаимодействии), объединенных связями (линиями передачи единиц или потоков чего либо) и вступающих в определенные отношения (условия и способы реализации свойств элементов) между собой и с внешней средой, чтобы осуществить процесс (последовательность действий для изменения или поддержания состояния) и выполнить функцию ТС (цель, назначение, роль). ТС имеет структуру (строение, устройство, взаиморасположение элементов и связей, задающее устойчивость и воспроизводимость функции ТС).

Структура. Понятие структуры играет одну из центральных ролей в современной науке. Если в классическом естествознании идеалом научного объяснения было причинное объяснение, то в современной науке явление считается

27

понятым, если найдена его структура. Более того, процедура причинного объяснения включает в себя поиски необходимого характера связи между явлениями.

Определений понятия «структура» чрезвычайно много. Одно из определений гласит: «Структура - это устойчивая картина взаимных отношений элементов целостного объекта» [22]. И далее: структура - это особый тип отношения, структурное отношение. Структурные отношения выявляются посредством отождествления различных конкретных отношений в различных объектах. Говорить о структуре конкретного объекта можно лишь после того, как путем моделирования или посредством отнесения к классу выявлена тождественность отношения, без которой нет структуры. Выявляя просто части объекта, мы в результате такого расчленения получаем знание состава (простое перечисление элементов) а не структуры, хотя, конечно, познание структуры невозможно, если не указан состав. Структурные отношения всегда есть отношения элементов.

Изображая объект как систему, мы лишь получаем возможность подойти к структуре объекта, дальнейший шаг заключается в поиске закономерностей системных отношений целостного объекта.

Информационная система (ИС) - это система, в которой присутствуют информационные процессы (хранение, передача, преобразование информации). ИС, получая информацию, преобразует ее в информационный продукт.

Типы информационных систем:

•АСУ - Автоматизированные системы управления;

•АСУ П - Автоматизированные системы управления предприятия;

•АСУ ТП - Автоматизированные системы управления

28

технологическими процессами;

•ИУС - Информационно-управляющие системы;

•ИИС - Информационно-измерительные системы;

•ИПС - Информационно-поисковые системы;

•ИСС - Информационно-справочные системы;

•ГИС - Геоинформационные системы;

•СИИ - Системы искусственного интеллекта;

•САПР - Системы автоматизации проектной деятельности;

•СПД - Системы передачи данных;

•ИИС - Интеллектуальные информационные системы;

•Информационные сети - WWW (всемирная паутина вебсайтов Интернета, социальные компьютерные сети и т.д.).

Функционально-физическое описание технических

материалов

Технический материал, эксплуатирующийся в условиях внешних воздействий, также можно представить как систему, преобразующую внешние воздействия путем некоторого функционального преобразования (физико-химических процессов, механического сопротивления и т.п.) в выходные параметры [20, 21].

Описание физической операции преобразования входных воздействий в выходные формализованно можно представить состоящим из трех компонентов:

где Ат - входной поток вещества или энергия, или другой входной фактор; Ст - выходной поток или фактор; Е - операция по превращению Ат в Ст.

Большинство технических материалов, в том числе резины, представляют собой многокомпонентные микро - или

29

макрогетерогенные (композиционные) материалы. Каждый из компонентов резины выполняет определенную функцию и реализует определенную физическую или химическую операцию (ФХО). Физические, химические и механические связи между компонентами и фазами образуют определенную надмолекулярную и фазовую, иначе говоря, физическую функциональную структуру материала (ФФС). Аналогией этой структуры является конструктивная функциональная структура машин. ФФС можно представить как граф, вершинами которого являются наименования компонентов, а ребрами - их функции.

Кроме функциональных связей, между компонентами технического материала имеются еще потоковые связи, так как компоненты технического материала преобразуют поток проходящих через материал веществ и энергетических воздействий. Такой проходящий через ТМ поток, подвергаемый определенному преобразованию, называют потоком преобразований. Этот поток определенным образом объединяет и связывает компоненты ТМ и соответственно их ФХО в потоковую функциональную группу (ПФС). ПФС представляет собой граф, вершинами которого являются наименования компонентов или функциональных систем ТМ, или наименование операций преобразования Е (например, операций Коллера), а ребрами - входные А и выходные Ст потоки или факторы.

В ПФС каждый ее элемент реализует определенную ФХО. Такая реализация происходит на основе одного или нескольких физико-химических или технологических эффектов (ФЭ).

Необходимо ввести следующее условие: ФЭ может реализоваться не только одним из компонентов технического материала, но и их совокупностью, которую можно выделить в определенную функциональную систем. Например, прохождение тепла через материал осуществляется всеми