Використання нарисної геометрії для розв'язання оптимізаційних задач будівельного матеріалознавства по складним поверхням на основі експериментально-статистичного моделювання

Размещено на http://www.allbest.ru/

Одеська державна академія будівництва і архітектури

ВИКОРИСТАННЯ НАРИСНОЇ ГЕОМЕТРІЇ ДЛЯ РОЗВ'ЯЗАННЯ ОПТИМІЗАЦІЙНИХ ЗАДАЧ БУДІВЕЛЬНОГО МАТЕРІАЛОЗНАВСТВА ПО СКЛАДНИМ ПОВЕРХНЯМ НА ОСНОВІ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-СТАТИСТИЧНОГО МОДЕЛЮВАННЯ

Луцкин Є.С., к.т.н., Сидорова Н.В., к.т.н.,

Шинкевич О.С., к.т.н., доцент, Доценко Ю.В., аспірант

Анотація

У роботі приведені результати оптимізації силікатних матеріалів неавтоклавного твердіння за комплексом критеріїв якості на базі експериментально-статистичного моделювання з використанням прийомів нарисної геометрії.

Annotation

In work results of optimization of silicate materials of non-autoclave hardening on a complex of criteria of quality with use of receptions of descriptive geometry are resulted.

Постановка проблеми

Технологічний процес відрізняється великою складністю, достатком і розмаїтістю взаємозв'язків усередині кожного технологічного переділу. Для вибору оптимальних параметрів будь-якого технологічного процесу необхідно кількісно оцінити і зіставити величезну кількість взаємозв'язків і можливих варіантів [1, 2].

Оптимізація технологічних процесів, як одного з наукових напрямків, здійсненна на базі швидкодіючих комп'ютерних технологій аналізу композиційних матеріалів.

Сучасний підхід до оптимізації характеризується формалізацією задачі, що формується стандартним образом, після чого її рішення проводиться на основі чіткого однозначного алгоритму. Однозначність у даному випадку не означає відсутності варіантів рішень. Навпаки, проводиться порівняння різних варіантів. Алгоритм при цьому лише точно визначає, як проводиться таке порівняння.

Планування і реалізація експерименту

Для формування інформаційної бази ЭС моделювання спланований багатофакторний натурний експеримент, що поставлений по спеціально синтезованому насиченому плані типу MTQ (mіxture-technology-qualіty) [2, 3]. Математичні моделі, розраховані за планом MTQ, графічно інтерпретуються у виді сумішних трикутників, розташованих на кубі трьох взаємонезалежних факторів.

Для вирішення поставлених задач реалізовано натурний експеримент за двома оптимальними планами: 4-х і 6-ти факторному. Обидва плани відносяться до класу планів, які дозволяють аналізувати залежності “суміш-технологія-властивості” і “суміш-технологія-структура” (Т.В. Ляшенко). Перший 4-х факторний план може розглядатися як складовий елемент основного 6-ти факторного.

Перший план описує обмежену призмою область. Трикутні грані призми являють собою сумішні діаграми. Вони також є елементами 2-го шести факторного плану, що розташовуються в об'ємі кубу трьох технологічних факторів.

За сумішними діаграмами у виді трикутників варіювалося співвідношення в суміші х₁, х₂, х₃ частинок трепелу з питомою поверхнею S_пит1=350 м²/кг, S_пит2=425 м²/кг, S_пит3=500м²/кг відповідно. Ці фактори зв'язані лінійною залежністю: х₁+х₂+х₃=1.

Вміст добавки гіпсу (с_г) змінювався на рівнях 0.0, 2.5 і 5.0% від маси сухих компонентів (фактор Х₆). Це дозволило порівнювати склади без гіпсу і з різним його вмістом. Добавка гіпсу вводилася для регулювання швидкості і температури гідратації негідратованого вапна, а також реологічних характеристик сировинної суміші.

Також, крім перерахованих факторів складу, варіювалися два технологічних фактори, що визначають умови твердіння: тривалість попереднього витримування (ф_п.в.) у нормальних умовах при температурі 20±2°С - від 0 до 12 годин (фактор Х₄) і тривалість тепловологісної обробки (ф_ТВО) - від 10 до 18 годин (фактор Х₅) при температурі ізотермічного витримування 80...85°С і відносній вологості 100% (при В/Т=const).

В роботі досліджувалися характеристики структури і фізико-механічні властивості затверділого матеріалу. Характеристики структури порового простору: пористість загальна, відкрита, закрита, їх співвідношення, відносний середній розмір капілярів і коефіцієнт однорідності їх розміру. Характеристики структури твердої фази: вид, морфологія і кількісний вміст гідросилікатів кальцію (ГСК), втрата маси при прожарюванні (m за ДТА), що непрямо характеризує ступінь закристалізованості ГСК.

Фізико-механічні властивості: міцність при стиску, коефіцієнт теплопровідності, водо- і морозостійкість, густина.

У результаті реалізації експерименту отримані багатофакторні експериментально-статистичні моделі "суміш - технологія - властивість" і "суміш - технологія - структура", що дозволило вивчати залежності "суміш - технологія - структура - властивості" [2].

В області факторного простору міцність при стиску змінюється від 6.5 до 22.5 МПа, тобто в 4 рази, міцність при вигині змінюється в 2.5 рази, коефіцієнт теплопровідності л змінюється від 0.44 до 1.3 Вт/м·К, морозостійкість змінюється в 2.1 рази, а щільність на 20-25% нижче щільності силікатних матеріалів автоклавного твердіння [4, 5].

Чутливість властивостей до зміни питомої поверхні мінеральної добавки, змісту добавки гіпсу й умовам твердіння порозумівається модифікацією структури під впливом перерахованих факторів: змінюється кінетика й інтенсивність водонасищення на 15%, що свідчить про зміну характеру і розміру капілярів, змінюється зміст вільної і гідратної води в новотворах, відношення відкритої пористості до загального змінюється на 35%, відношення відкритої до закритої пористості змінюється в 5 разів.

Елементи нарисної геометрії при вивченні об'ємних поверхонь

нарисний геометрія силікатний матеріал

Ортогональні проекції предмета (види попереду, позаду і ліворуч) разом з розрізами і перетинами дозволяють виявити форму і розміри предмета і його частин, як видимих, так і схованих. Однак прямокутні проекції не мають достатню наочність. Тому виникає необхідність у таких зображеннях, що, володіючи наочністю, разом з тим давали би представлення і про відносні розміри предмета і про форму. Саме таким видом зображень є аксонометричні проекції.

У практиці проектування споруджень і конструювання окремих вузлів аксонометричні проекції застосовують як додаткові проекції до ортогонального проекційного креслення - для кращого з'ясування форм спорудження і пристрої окремих частин.

Взагалі аксонометричними проекціями називають наочні зображення предмета, одержувані рівнобіжним проектуванням його на одну площину проекцій разом з осями прямокутних координат, до яких цей предмет віднесений. У кожнім предметі можна виділити три взаємно перпендикулярних виміри - довжину, ширину і висоту.

Для того самого предмету можна побудувати різні аксонометричні зображення. Кращим з них буде те, що забезпечує гарну наочність предмета і простоту побудови аксонометрії. Однієї з найбільш розповсюджених аксонометричних проекцій є прямокутна ізометрія, що вдало сполучить ці дві вимоги.

Прийоми побудови аксонометричних зображень не залежать від виду аксонометрії. Для всіх аксонометричних проекцій вони однакові. Аксонометричне зображення будується на основі ортогональних проекцій предмета. Тому по кресленню предмета варто представити його форму, потім вибрати вид аксонометричного зображення предмета.

З існуючих видів аксонометричних проекцій ми будуємо в прямокутній ізометрії. На аксонометричному зображенні можна показати не тільки зовнішню форму предмета, але і його внутрішній пристрій, а також виявити, наприклад, примикання друг до друга окремих елементів конструктивного вузла.

Таким чином, застосовуючи елементи аксонометрії, можливо проводити оптимізацію по складних поверхнях, зокрема в тривимірному просторі, що дозволить більш наочно візуалізувати отримані результати.

Оптимізація силікатних матеріалів за критерієм тепло- і звукоізоляції. На сучасному етапі розвитку цивілізації в суспільстві формується сукупність знань, ідей, теорії, принципів і норм, спрямованих на екологизацію промислово-будівельної галузі. Екологічні проблеми розглядаються на різних рівнях: глобальному, регіональному, локальному. У якості одного з основних аспектів глобального рівня виділяється процес оптимізації природокористування.

Рішення даної проблеми ґрунтується на комплексному ресурсозбереженні, зокрема у виді скорочення витрати енергоресурсів як на стадії транспортування (місцева сировина), так і на стадії виробництва й експлуатації виробів і конструкцій.

Одним з локальних аспектів соціально-екологічної проблеми будівельного матеріалознавства є гармонізація негативних наслідків науково-технічного прогресу і підвищення комфортності умов праці і побуту. З огляду на даний аспект, практика переходу до нових економічних відносин пред'являє усе більш різноманітні вимоги до сполучення властивостей будівельних матеріалів. У цьому плані зростає інтерес до будівельних матеріалів спеціального призначення, що сприяє створенню комфорту в житлових і суспільних будинках.

Актуальність проблеми, зв'язаної зі зменшенням шкідливого впливу шумів, що не несуть корисної інформації і заважають життєвому процесу з одного боку, і поліпшенням теплозахисних властивостей конструкцій, що обгороджують, для створення стабільного і комфортного теплового режиму в приміщеннях при мінімумі енерговитрат, з іншого боку, ставить задачі одержання будівельним матеріалам з поліпшеними тепло- і звукоізоляційними властивостями.

Багатокритеріальна оптимізаційна задача формулюється в такий спосіб: одержання умовно-ефективних стінових і оздоблювальних матеріалів поліфункціонального призначення неавтоклавного твердіння на основі модифікованих силікатних композицій з мінеральними добавками з поліпшеними теплоізоляційними і звуковбирними властивостями.

Задача оптимізації структури з комплексу звуко-, теплоізоляційних і експлуатаційних властивостей відрізняється формулюванням суперечливих вимог до структури порового простору і до твердої фази кістяка.

На теплоізоляційні властивості позитивно впливає наявність дрібних замкнутих пір, що утрудняють теплопередачу конвекцією, а також наближення структури до аморфного, тому що вона значно гірше проводить тепловий потік, чим кристалічна.

Звуковбирні матеріали повинні мати порівняно велику відкриту, наскрізну пористість переважно сполученого і розгалуженого характеру. Особливістю звукоізоляційних матеріалів є низький модуль пружності: за рахунок пружних деформацій відбувається посилене поглинання звукових хвиль.

Таким чином, прагнення до замкнутої пористості відрізняє структуру теплоізоляційних матеріалів від структури звукопоглинаючих, що повинні мати визначена кількість "наскрізних" пір. Сполучення ізоповерхонь теплопровідності, модуля пружності і коефіцієнта насичення пір водою представлено на рисунку 1. Границі зміни комплексу спеціальних властивостей, а саме л=0.46ч0.58 Вт/м·К, Е·103 МПа>mіn, k_нас =0.7ч0.8 дозволяють виділити підобласті, що будуть характеризуватися гарантованими значеннями л для умовно-ефективних матеріалів з поліпшеними показниками по звукопоглинанню (рис. 1).

Рис. 1 Оптимізація силікатних матеріалів за критеріями тепло- і звукоізоляції

У результаті рішення оптимізаційної задачі рекомендовані склади і режими твердіння, що забезпечують одержання стінових рядових умовно-ефективних виробів (л = 0.40ч0.45 Вт/м·К, с = 1451ч1650 кг/м³ по ДСТУ Б.В.2.7-36-95) при нормованій міцності (В5-В10) і поліпшеними показниками по звукопоглинанню.

Оптимізація силікатних матеріалів за критеріями водо- і морозостійкості. Довговічність композиційних будівельних матеріалів, що побічно може характеризуватися їхньою стійкістю в умовах температурно-вологих градієнтів, зокрема, морозо- і водостійкістю, залежить від безлічі факторів складу і технології.

Оптимізаційна задача полягала в одержанні модифікованих силікатних матеріалів з мінеральними добавками заданих марок по міцності і морозостійкості при максимальних значеннях параметрів, що характеризують водостійкість при мінімально можливій щільності з урахуванням пріоритетного впливу структурних параметрів. Таке формулювання задачі дозволить скоротити матеріалоємність виробів і звести до мінімуму процеси тріщиноутворення і деструкції, підвищивши, у результаті, довговічність КСМ.

Для аналізу можливості максимального підвищення водо- і морозостійкості використані моделі водо- і морозостійкості, перетинання поверхонь яких представлені на рисунку 2.

Рис. 2 Сполучення ізоповерхонь водо- і морозостійкості

У результаті рекомендовані склади і режими твердіння, що забезпечують одержання стінових лицьових і лицювальних виробів, що характеризуються необхідної підвищений, у порівнянні з рядовими, морозостійкість F> 35, високою міцністю (В15 і більш) і водостійкістю (k_p>0.85).

Висновок

Таким чином, використовуючи прийоми нарисної геометрії, можливо успішно вирішувати суперечливі оптимізаційні задачі по складних поверхнях на основі сполучення поверхонь, які отримані в ході експериментально-статистичного моделювання.

Література

1. Шинкевич Е.С., Сидорова Н. В., Луцкин Е.С., Гнып О.П. Особенности оптимизации составов силикатных композиций с минеральными добавками // Вісник ОДАБА. Одеса, 2002. Вип. 6. С. 216-221.

2. Шинкевич Е.С. Моделирование и оптимизация модифицированных силикатных композитов // Доклад к МОК'42. Одесса, 2003. 24 с.

3. ЭВМ и оптимизация композиционных материалов // В.А. Вознесенский, Т.В. Ляшенко, Я.П. Иванов, И.И. Николов. К.: Будивэльник, 1989. 240 с.

4. Шинкевич Е.С. Анализ влияния технологических факторов на свойства силикатных материалов неавтоклавного твердения // Строительные материалы. Москва, 2006. №3. С. 16-18.

5. Луцкин Е.С. Влияние модификации структуры на теплофизические свойства силикатных материалов неавтоклавного твердения // Автореферат дис… к.т.н. 05.23.05. Одесса, 2006. 20 с.

Размещено на Allbest.ru