Раздел IV.Методы разработки инновационной продукции
Анализ данных, представленных в патентах, обобщенных в электронных таблицах позволяет кроме узловых технологий назвать также основные направления развития базовых технологий изготовления ГТД:
1.для вентилятора газотурбинного двигателя:
−точечную сварку (защитных колец), ковку (защитных колец из стали, титана, суперсплава на основе никеля; колец жесткости из алюминия; корпусов вентилятора из стали, титана или алюминия);
−изготовление корпусных деталей вентиляторов методом деформации и сварки.
2.для компрессора:
−нанесения покрытия на лопатку методом магнетронного распыления материала. В качестве материала распыления используют серебро;
−создания штампов для получения фланцев на концевых заготовках методом осадки для сохранения стабильности механических свойств и повышения надежности лопаток компрессора;
−использования способа получения композиционного материала для лопаток компрессора на основе интерметаллида титана, армированного волокном карбида кремния, этот способ включает изготовление пористой заготовки, содержащей армирующие волокна и порошок титана, пропитку пористой заготовки под давлением расплавом алюминия;
−ионного травления;
3.для камер сгорания:
−лазерной сварки;
−использования жаропрочных и жаростойких сплавов с их дальнейшим эмалированием, позволяющие повысить надежность в 2-2,5 раза;
−использования способов снижения эмиссии NOx путем:
1)подвода воды или пара в зону горения;
2)подмешивания продуктов сгорания к воздуху на входе в зону горения (рециркуляция);
3)организации в камере двухстадийного горения с
Раздел IV.Методы разработки инновационной продукции
предварительным перемешиванием топливно-воздушных смесей.
4.для турбины авиационного двигателя:
−технологии направленной кристаллизации для изготовления всех каналов и отверстий лопаток;
−ионно-плазменной технологии или технологии электроннолучевого испарения в вакууме (на наружные поверхности деталей наносят плакирующее покрытие MeCrAlY, где Me - Ni, Co, NiCo), что обеспечивает повышение жаростойкости и коррозионной стойкости покрытия, увеличивает ресурс лопаток газотурбинного двигателя;
−лазерной сварки (из двух половин), что позволяет должным образом организовать охлаждение лопаток за счет оребрения внутренних поверхностей;
−нанесения керамического покрытия методом, состоящим из термического распыления, напыления и вакуумного осаждения (изделия, полученные данным способом и указанного состава покрытия, способны работать в условиях очень высоких температур);
−нанесения трехслойных теплозащитных покрытий (газотермическим способом наносят первый слой из сплава на основе никеля, методом шликерной технологии наносят второй слой, содержащий алюминий и газотермическим способом наносят третий керамический слой; финишную обработку поверхности третьего керамического слоя проводят виброшлифованием и вакуумной термообработки детали). В результате увеличивается ресурс работы крупногабаритных деталей турбины авиационного двигателя;
−нанесения диффузионных защитных покрытий газовым циркуляционным методом;
5.для форсажной камеры газотурбинного двигателя:
−технологии измерения неконтактным методом интенсивности излучения в струе продуктов сгорания для повышения полноты сгорания углеводородного топлива в двухконтурных газотурбинных двигателях с форсажными камерами;
Раздел IV.Методы разработки инновационной продукции
6.для реактивного сопла:
−технологии точного литья по выплавляемым моделям, что повышает надежность деталей реактивного сопла и увеличивает ресурс работы двигателя.
Входе выполнения лабораторного занятия студент должен дополнить этот перечень результатами самостоятельного анализа патентов.
Таким образом, определив новые высокие, в том числе узловые и базовые технологии из «ядра решений» для интересующего узла авиационного двигателя можно на следующем шаге системного анализа и системотехнического проектирования осуществлять имитационное моделирование инновационных проектов производства различных сборочных единиц и деталей ГТД, что продемонстрировано в заключительном разделе данного лабораторного практикума.
2.Описание используемых программных комплексов
Работа выполняется в |
системе Matlab (сокращение от |
англ. «Matrix Laboratory») – |
пакет прикладных программ для |
решения задач технических вычислений и одноимённый язык
программирования, используемый в этом пакете (см. ярлык |
на |
рабочем столе компьютера или в корневой директории). |
|
2.1.Описание пакета нечеткой логики Fuzzy Logic в системе
Matlab
Для реализации названного процесса моделирования в среде Matlab предназначен пакет Fuzzy Logic Toolbox. В рамках этого пакета пользователь может выполнять действия по разработке и использованию нечетких моделей в одном из следующих режимов:
−в интерактивном режиме с помощью графических средств редактирования и визуализации всех компонентов систем нечеткого вывода;
Раздел IV.Методы разработки инновационной продукции
− в режиме команд с помощью ввода имен соответствующих функций с необходимыми аргументами непосредственно в окно команд системы Matlab.
Fuzzy Logic Toolbox содержит следующие категории программных инструментов:
−функции;
−интерактивные модули с графическим пользовательским интерфейсом (GUI);
−блоки для пакета Simulink;
−демонстрационные примеры.
3.Задание
1.Построить в качестве примера поверхность развития единых технологий газотурбинного двигателя (ГТД) по результатам экспертных оценок данных патентной статистики (см. приложение) с помощью пакета нечеткой логики Fuzzy Logic системы Matlab по двум узлам ГТД: вентилятору и форсажной камере.
2.По результатам работы выделить массив «высоких» технологий.
3.Задать функцию принадлежности патентов, состоящей из двух участков (low, соответствующий низкой оценке патента по результатам экспертного заключения в диапазоне распространения [0; 0,4] и excellent, соответствующий оценке «отлично» в диапазоне распространения [0,3 1]). В функции принадлежности патента единой технологии также выделить два участка:
−малоперспективные единые технологии в диапазоне [0; 0,4],
−область высоких технологий соответственно – [0,3; 1]. Написать правила для поиска «ядра решений» единой технологии авиационных двигателей и построить поверхность развития единой технологии газотурбинного двигателя (ГТД) аналогично первому заданию по вентилятору и форсажной камере ГТД. 4.По результатам работы выделить массив «высоких» технологий для дальнейшего инновационного проектирования.
Раздел IV.Методы разработки инновационной продукции
4.Методика выполнения задания
1.Запустить систему MATLAB дважды «кликнув» левой кнопкой
«мыши» по ярлыку
(возможен вариант запуска системы с диска). Таким образом, откроется окно, представленное на рис. 7.
Рис. 7 Главное окно системы Matlab
2. Для открытия пакета нечеткой логики Fuzzy Logic введем в
командное окно системы MATLAB после значка >> команду fuzzy и нажмем на клавиатуре клавишу Enter (рис. 8).
Рис. 8 Запуск пакета нечеткой логики Fuzzy Logic системы Matlab
3. В результате появляется интерактивное графическое окно (рис. 9) с имеющемся одним входом (input1) и одним выходом (output1). Выходное значение получается в результате работы алгоритма «mamdani». Его параметры: логические операции (min
– для нечеткого логического И (and), max – для нечеткого логического ИЛИ (or)), метод импликации (min), метод агрегации (max) и метод дефаззификации (centroid) (нижняя область рис. 3).
На этом же рисунке также указаны функциональные назначения основных полей графического окна. В нижней части графического окна FIS-редактора расположены кнопки Help и Close, которые позволяют соответственно вызвать окно справки и закрыть редактор.
Раздел IV.Методы разработки инновационной продукции
При этом по умолчанию система сама задает ряд параметров, таких как тип системы нечеткого вывода (mamdani), нечеткие логические операции, методы импликации, агрегирования и дефаззификации и другие. Пользователь может согласиться с этими значениями или изменить их.
Рис. 9 Графический интерфейс пакета Fuzzy Logic
Рассмотрим в качестве примера ситуацию, когда в электронной базе данных единой технологии по узлу вентилятора ГТД содержится 10 патентов, а по форсажной камере – 5 ( см. приложение), при этом каждый патент соответствует одному входу согласно количеству патентных документов (input1, input2, input3 и т.д.). В этой связи для добавления входных блоков необходимо «кликнуть» левой кнопкой «мыши» по вкладке меню Edit (правка) -> Add Variable (добавить вариант) -> Input (вход) (рис. 10).
Примечание: для удаления блока (input или output), например, в случае большего числа входов, необходимо щелкнуть по блоку левой клавишей мыши и нажать кнопку Delete на клавиатуре, после чего произойдет удаление выбранного блока.
Раздел IV.Методы разработки инновационной продукции
4. После добавления необходимого количества входов:
Patent 1, 2, 3, 4, 5 … – номера патентов, содержащихся в электронной базе данных по анализируемому узлу авиационного двигателя и одну выходную переменную Technology – разгруппированный массив патентов узловых технологий (рис. 1), необходимо задать функции принадлежности для каждого входного и выходного значений. Для этого «кликаем» двойным щелчком левой кнопкой «мыши» последовательно по областям input1, input2, input3 и т.д. и в появляющихся окнах Membership Function Editor (рис. 11) устанавливаем диапазоны оценок патентов как на рис. 2 (см. теоретическую часть лабораторного занятия).
Рис. 10. Добавление входных величин (input)
Раздел IV.Методы разработки инновационной продукции
Рис. 11. Графический интерфейс задания функций принадлежности патента различным областям развития технологии
Для каждого патента по каждому узлу реактивного двигателя, имеющегося в базе данных (см. базу данных единой технологии и приложение), в качестве функций принадлежности выбран тип trimf (терм треугольной формы на рис.11) и обозначим диапазон распространения [0; 10]. Для рассматриваемых в рамках решаемой задачи патентов имеется 3 участка степени их влияния на существующую технологию (см. теоретическую часть лабораторного занятия).
5. Далее зададим правила нечеткого вывода (рис. 3, окно Rule Editor) для разрабатываемой системы. Команда Rules открывает редактор базы знаний, в данном случае по электронной базе патентов единой технологии ГТД. Диалоговое окно данной команды может быть вызвано нажатием левой клавишей «мыши» по вкладке меню Edit -> Rules... (эта команда может быть также выполнена нажатием клавиш Ctrl+3 с клавиатуры). Поскольку в рабочем окне отображаются не все переменные нечеткой модели, для управления режимом отображения переменных правил следует воспользоваться специальными кнопками >> и <<, расположенными в нижней правой части редактора правил (рис. 3).
Редактор правил позволяет добавлять новое правило, удалять правила и производить редактирование уже существующих
Раздел IV.Методы разработки инновационной продукции
правил с помощью кнопок Add rule, Delete rule и Change rule
соответственно (нажатием по ним левой кнопкой «мыши»).
6. Далее необходимо выполнить анализ построенной системы нечеткого вывода для рассматриваемой задачи оценки влияния патентов электронной базы данных на развитие единой технологии. Для этого нажимаем левой кнопкой «мыши» по вкладке меню View -> Rules (или с клавиатуры вводим комбинацию клавиш Ctrl+5), появляется диалоговое окно рис. 4 (см. теоретическую часть лабораторного занятия).
На рис. 4 продемонстрирован процесс ввода данных для отбора патентов «ядра решений» единой технологии по вентилятору ГТД из электронной базы данных на примере 5 патентов. В результате массив данных патентной статистики, определяющий «высокие технологии», в данном примере выглядит следующим образом: [patent1, patent4, patent5] (рис. 4). Как видно из рис. 4, патент №3 попал в область малоперспективных технологий, а патент №2 – в область промежуточных технологий. Подробное описание интересующих патентных документов можно просмотреть в электронной базе данных единых технологий, а разгруппированный массив единых технологий в целом имеет среднюю оценку относительно красной линии окна Rule Viewer (рис. 4).
7.Для обобщенной оценки итогов анализа полученной модели Fuzzy Logic также может оказаться полезной визуализация соответствующей поверхности нечеткого вывода (рис. 5). Для того, чтобы ее просмотреть необходимо: нажать левой кнопкой «мыши» по вкладке меню View -> Surface (или с клавиатуры ввести комбинацию клавиш Ctrl+6), в результате появляется диалоговое окно (рис. 5).
8.Далее рекомендуется самостоятельно осуществить построение поверхностей развития единой технологии по вентилятору и форсажной камере ГТД и вписать полученные данные в отчет
двух массивов (см. задание лабораторного занятия), характеризующих область «высоких» технологий (см. пункты 2-7 методики выполнения лабораторного занятия)
9. Оформить отчет о выполненном лабораторном занятии.
Раздел IV.Методы разработки инновационной продукции
5.Контрольные вопросы
1.Для чего используют пакет нечеткой логики Fuzzy Logic системы Matlab?
2.Что такое функция принадлежности?
3.Как осуществляют формирование совокупности правил для поиска «ядра решений» единой технологии ГТД?
4.Что демонстрирует полученная в ходе выполнения лабораторного занятия поверхность развития единой технологии ГТД?
5.Что можно выяснить по результатам анализа патентов (устройств, способов, материалов) для совершенствования конструкций и технологий изготовления ГТД?
6.Требования к отчету
Отчет должен содержать титульный лист, цель работы, фрагменты рабочих окон пакета нечеткой логики Fuzzy Logic, характеризующие ход выполнения лабораторного занятия, график поверхности развития единой технологии ГТД по результатам экспертной оценки данных патентной статистики и выводы о результатах лабораторного занятия.
7. Критерий оценки результатов
При подведении итоговой оценки рекомендуется руководствоваться следующими критериями: «отлично» – соответствует более 90% качественному усвоению учебного материала; «хорошо» – соответствует более 75% до 90% качественного усвоения учебного материала; «удовлетворительно» – соответствует более 50% до 75% качественного усвоения учебного материала при условии отсутствия ошибок.
В случае невыполнения перечисленных критериев или отсутствия на занятии студент должен пройти повторное выполнение лабораторного задания самостоятельно и представить новый вариант отчета к защите.
