Компьютерное моделирование процессов прокатки на основе системного анализа и объектно-ориентированного проектирования

Невозможно представить себе современную науку без широкого применения моделирования. Сущность этой методологии состоит в замене исходного объекта его «образом» — моделью — и дальнейшем изучении модели с помощью реализуемых на компьютерах вычислительно-логических алгоритмов. Работа не с самим объектом или технологическим процессом, а с его моделью дает возможность относительно быстро и без существенных затрат исследовать его свойства и поведение в любых мыслимых ситуациях (преимущество теории). В то же время вычислительные (компьютерные, симуляционные, имитационные) эксперименты с моделями объектов позволяют, опираясь на мощь современных вычислительных методов и технических инструментов информатики, подробно и глубоко изучать объекты в достаточной полноте, недоступной сугубо теоретическим методам (преимущества эксперимента).

В настоящее время актуальной является следующая проблема. С одной стороны повышаются требования к достоверности результатов экспериментальных исследований. Однако высокая стоимость материалов, например многотонной поковки, или нового оборудования не позволяют исследователюспециалисту в области обработки металлов давлением в полной мере проводить экспериментальные обоснования новых технологий или интенсификацию существующих традиционных технологий обработки давлением, особенно при структурной перестройке производства. С другой стороны повышается вычислительная мощность компьютерной техники при существенном снижении ее цены. Увеличивается количество программ, инструментов, предназначенных для моделирования, в том числе и в области ОМД. Поэтому логическим выходом из этой ситуации является широкое применение компьютерного моделирования объектов и процессов ОМД, при котором исследователи могут «проигрывать» различные сценарии процессов, исследовать свойства металла в очаге деформации для нахождения рациональных режимов обработки, прогнозирования качества изделий. Компьютерное моделирование — одно из современных направлений создания конкурентоспособных технологий обработки металлов давлением.

Постановка вопроса о компьютерном моделировании какого-либо объекта или процесса ОМД порождает четкий план действий.

На первом этапе выбирается (или строится) «эквивалент» объекта, отражающий в математической форме важнейшие его свойства — законы, которым он подчиняется, связи, присущие составляющим его частям, и т. д. Синтез модели объекта проводится с применением аппарата системного анализа и объектной декомпозиции.

Второй этап — выбор (или разработка) алгоритма для реализации модели на компьютере. Модель представляется в форме, удобной для применения численных методов, определяется последовательность вычислительных и логических операций, которые нужно произвести, чтобы найти искомые величины с заданной точностью. Вычислительные алгоритмы должны не искажать основные свойства модели и, следовательно, исходного объекта, быть экономичными и адаптирующимися к особенностям решаемых задач и используемых компьютеров.

На третьем этапе создаются программы, «переводящие» модель и алгоритм на доступный компьютеру язык. К ним также предъявляются требования экономичности и адаптивности. Их можно назвать «электронным» эквивалентом изучаемого объекта, уже пригодном для непосредственного испытания на «экспериментальной установке» — компьютере. В настоящее время существует достаточно большое число языков программирования, средств и инструментов проектирования компьютерных систем для целей моделирования. Успешно используется парадигма объектно-ориентированного программирования, которая обсуждается и применяется в настоящей работе.

Создав компьютерную модель в виде соответствующего программного обеспечения, исследователь получает в руки универсальный, гибкий и недорогой инструмент, который вначале тестируется в «пробных» вычислительных экспериментах. Проверяется совпадение числовых значений характеристик 7 объекта и модели в характерных точках факторного пространства. После того, как требования адекватности модели исходному объекту удовлетворено, проводятся разнообразные и подробные опыты, дающие все требуемые качественные и количественные свойства и характеристики объекта. По мере необходимости процесс моделирования сопровождается улучшением и уточнением всех элементов модели.

Однако при очевидном прогрессе компьютерного моделирования в различных сферах, на наш взгляд, в области обработки металлов давлением при исследовании процессов деформации уровень использования новейших компьютерных технологий мог бы быть более высоким. Хотя в настоящее время доступен большой ряд средств моделирования, начиная от универсальных математических пакетов, систем статистической обработки, пакетов имитационного моделирования и заканчивая специализированными пакетами моделирования процессов обработки металлов давлением, исследователи их используют недостаточно широко. Кроме того, несмотря на большой накопленный потенциал многих научных коллективов, неудовлетворительным является представление математических моделей в виде современных конкурентоспособных программных пакетов с развитым графическим интерфейсом для применения, как на производстве, так и в учебном процессе. Разработчики компьютерных моделей недостаточно активно применяют современные средства разработки, в том числе среды и языки объектно-ориентированных технологий проектирования и разработки, элементы 1п1егпе1:-технологий и др. Причинами этого являются, с одной стороны, недостаточная подготовленность выпускников вузов, а с другой — недостаточное владение специалистами-обработчиками техникой анализа и разработки компьютерных моделей.

Целью настоящей работы является: • определение концепций и методов проведения эффективного компьютерного моделирования и разработки гибких компьютерных программ применительно к задачам в области ОМД- 8.

• демонстрация практического использования методологии предлагаемых решений на примерах моделирования некоторых процессов прокатки, а также применения современных инструментов компьютерного моделирования.

На защиту выносятся следующие основные положения диссертации.

1. Методики синтеза моделей в обработке металлов давлением на основе системотехнического подхода и программных реализаций моделей на основе объектно-ориентированного анализа и проектирования библиотек классов.

2. Модель настройки обкатных клетей станов длиннооправочного волочения труб и программный пакет «АСНОК» .

3. Компьютерная модель винтовой прокатки прутков на трехвалковых станах и программный пакет «ПВП-Эксперт» .

4. База данных механических и деформационных свойств сталей и сплавов на основе библиотеки классов.

5. Гипертекстовая модель базы знаний «Производство труб» .

Новизна и научная ценность полученных результатов заключается в следующем:

— сформулирована методологическая схема синтеза моделей и применен объектно-ориентированный подход в создании компьютерных реализаций моделей процессов обработки металлов давлением для создания гибких, конкурентоспособных программных пакетов;

— разработана имитационная модель настройки обкатных клетей станов длиннооправочного волочения труб при продольной обкатке;

— разработана компьютерная модель процесса винтовой прокатки прутков на трехвалковых станах;

— применены элементы Интернет-технологий при разработке гипертекстовой базы знаний по технологии производства труб в рамках информационного обеспечения компьютерного моделирования процессов производства труб.

Практическую ценность представляют следующие разработки: библиотека классов с реализацией моделей некоторых процессов ОМД, а также с данными механических и деформационных свойств некоторых сталей и сплавов. Библиотеки предназначены для разработчиков программного обеспечения в области ОМДприкладной пакет программ «АСНОК», реализующий имитационную модель настройки обкатных клетей станов длиннооправочного волочения труб при продольной обкатке, использующийся в учебном процессеприкладной пакет программ «ПВП-Эксперт» для моделирования процесса винтовой прокатки прутков на трехвалковых станах, готовый к коммерческому применению на производстве, а также используемый в учебном процессе при курсовом и дипломном проектированииэлектронная гипертекстовая энциклопедия «Производство труб», представляющая собой информационно-справочное пособие, используемое в учебном процессе.

Практическая значимость результатов исследований, выполненных в рамках диссертационной работы, подтверждается, в частности, результатами внедрения пакета «ПВП-Эксперт» на ОАО «Верхне-Салдинское металлургическое производственное объединение» («ВСМПО»), а также практическим использованием разработанной имитационной модели при обосновании способов настройки обкатных клетей при продольной обкатке в условиях цехов № 6, 11 Первоуральском новотрубного завода.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений.

4.5. Выводы по главе.

1. На основе приемов системного анализа и технологиях объектно-ориентированного анализа и проектирования программного обеспечения разработаны модели и созданы программные пакеты на современной основе объектно-ориентированного подхода, в том числе:

• имитационная модель настройки обкатных устройств продольной обкатки труб после длиннооправочного волочения трубпрограммный пакет «АС-НОК» ;

• модель прокатки сплошных профилей на трехвалковых станах винтовой прокаткипрограммный пакет «ПВП-Эксперт» .

2. На основе разработанных моделей и соответствующего оригинального программного обеспечения выполнены модельные расчеты и получены практические результаты. Так, выполнен анализ технологии продольной обкатки труб в условиях цехов № 6 и 11 Первоуральского новотрубного завода и обоснован выбор использованных способов настройки обкатных устройств. Программный пакет «ПВП-Эксперт» внедрен на АО «ВСМПО» (г. В. Салда) и используется заводскими специалистами для анализа существующей технологии производства прутков из титановых сплавов, а также для прогнозирования качества изделий получаемых винтовой прокаткой на трехвалковых станах.

3. Создана база данных деформационных и механических свойств в виде учебного приложения с графическим интерфейсом с применением элементов анимации для отображения методов получения деформационных свойств металлов. На основе базы данных разработана объектно-ориентированная библиотека динамической компоновки для сторонних разработчиков.

4. Разработана библиотека некоторых классов, описывающих объекты ОМД для применения разработчиками различных компьютерных моделей в обработке металлов давлением, включая объекты с деформационными характеристиками некоторых сталей и сплавов, а также программный объект AS-NOK, моделирующий процесс продольной обкатки труб.

5. Рассмотрен пример использования Internet-технологий при разработке базы знаний — электронной энциклопедии «Производство труб». Рассмотрен информационно-справочный аспект классификации технологических процессов производства труб, для использования исследователем при поиске необходимых сведений, полезных в компьютерном моделировании. Обсуждены некоторые вопросы использования современных средств информатики. Так, использование Java-объектов позволяет строить достаточно гибкие, простые в применении, не зависимые от платформ реализации компьютерных моделей ОМД.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертационная работа направлена на решение актуальной проблемы: определение и практическое применение методик создания гибких, конкурентоспособных компьютерных моделей на основе использования современных концепций моделирования, средств разработки программ и компьютерной техники, а также популяризация этих методологических приемов в повседневной деятельности специалистов-обработчиков.

На основе литературного обзора существующих проблем моделирования в области ОМД, имеющихся средств и инструментов компьютерного моделирования поставлена задача: определить концепции и методы проведения эффективного компьютерного моделированиясоздать методики синтеза моделей и разработки компьютерных программ применительно к задачам в области ОМД на основе системного подхода и объектно-ориентированных технологийна примере исследования некоторых процессов прокатки продемонстрировать использование методологии предлагаемых решений, а также применить современные инструменты компьютерного моделирования.

В результате выполненных исследований и практических работ достигнута поставленная цель и получены следующие результаты.

1. Проведен анализ системного подхода при разработке моделей, описывающих различные процессы и объекты в обработке металлов давлением. Показано, что для создания гибких, конкурентоспособных моделей, пригодных для дальнейшей реализации в виде компьютерных программных средств, при разработке необходимо подходить с системотехнических позиций путем осуществления последовательности этапов построения моделей ОМД: «общесистемная модель —» системная модель —> конструктивная модель". Сформулирована методика синтеза моделей ОМД. Рассмотрен информационно-компьютерный аспект системных исследований при разработке моделей ОМД. При этом существенную помощь на начальных этапах построения моделей оказывают исходные информационно-справочные сведения о предмете моде.

193 лирования, реализованные в виде различных баз данных и знаний, экспертных систем с использованием новейших средств информатики.

2. Проведен анализ основных приемов объектно-ориентированного подхода, используемых при разработке программных комплексов компьютерного моделирования в обработке металлов давлением. Создана методика разработки программного обеспечения, реализующего модели ОМД, на основе объектно-ориентированного анализа и проектирования. Установлено, что процессы, объекты ОМД можно представить в виде модельных абстракций — классов. Основываясь на конструктивной модели системы, следует вести объектно-ориентированное проектирование компьютерных моделей. Объектная декомпозиция весьма эффективно позволяет описывать сложные модели и реализо-вывать их в программный код. Показан способ широкого использования компьютерного моделирования в обработке металлов давлением — разработка библиотек классов, описывающих многие типы объектов или процессов ОМД. Такой компонентный подход позволяет уменьшить время и стоимость разработки компьютерных моделей.

3. В качестве демонстрации практического использования разработанных методик синтеза моделей и их реализации в виде программных продуктов, а также информационно-компьютерного аспекта системных исследований в обработке металлов давлением созданы: а) имитационная компьютерная модель настройки клетей для продольной обкатки труб после длиннооправочного волочения при выборе рационального способа настройкиб) компьютерная модель винтовой прокатки прутков на трехвалковых станахв) база данных механических и деформационных свойств сталей и сплавов на основе библиотеки классовг) гипертекстовая модель базы знаний по производству труб. Далее по этим практическим работам сделаны следующие выводы.

4. В результате исследований проведен анализ процесса продольной обкатки труб в обкатных клетях станов длиннооправочного волочения труб и разработана имитационная модель настройки обкатных клетей. Модель реализована в виде оригинального программного пакета «АСНОК». Результаты анализа конкретных маршрутов продольной обкатки труб в цехах № 6 и 11 ПНТЗ при использовании разработанной модели показали, что способ настройки обкатных клетей на номинальное усилие на валки является предпочтительным при продольной обкатке после длиннооправочного волочения тонкостенных и особотонкостенных труб. Кроме того, указанный способ более мобилен при перенастройке обкатных клетей в связи со сменой сортамента труб. Отмечено, что при этом способе настройки надежность продольной обкатки труб существенно зависит от разброса механических свойств труб и может быть повышена при уменьшении разброса сопротивления деформации материала труб. Способ настройки клетей на заданный зазор между валками следует использовать при обкатке труб с небольшим отношением D/S. Но при этом следует учитывать величину коэффициента жесткости клети существующего или проектируемого обкатного устройства и эксцентриситет обкатных валков. Результаты работы были использованы в обосновании выбора использованных способов настройки обкатных устройств на Первоуральском новотрубном заводе при отладке поточных линий трехкратного длиннооправочного волочения.

5. Создана компьютерная модель, описывающая процесс винтовой прокатки прутков на трехвалковых станах на основе ранее разработанного экспериментально-теоретического метода изучения течения металла. Рассмотрено напряженно-деформируемое состояние при квазиосесимметричном течении металла. По результатам создания модели разработан пакет программ «ПВП-Эксперт». Пакет «ПВП-Эксперт» представляет собой законченный программный продукт, пригодный для коммерческого использования. Моделирование процесса прокатки позволило установить, что изменением калибровки валков, углов настройки валков стана и величиной обжатия можно в широких пределах менять распределение параметров НДС и накопление поврежденности в очаге.

195 деформации. Наиболее опасным из-за возможного разрушения является состояние кольцевого слоя металла, расположенного на расстоянии 0,7.0,9 радиуса прокатываемого прутка от продольной оси. Это связано с неблагоприятным НДС и, в первую очередь, с показателем напряженного состояния а/Т. Программный пакет «ПВП-Эксперт» внедрен на АО «ВСМПО» (см. прил. 7) и используется заводскими специалистами для анализа существующей технологии производства прутков из титановых сплавов, а также для прогнозирования качества изделий получаемых винтовой прокаткой на трехвалковых станах. Пакет «ПВП-Эксперт» также внедрен в учебном процессе на кафедре ОМД УГТУ.

6. Создана база данных механических и деформационных свойств в виде учебного приложения с графическим интерфейсом с применением элементов анимации для отображения методов получения деформационных свойств металлов. На основе базы данных разработана объектно-ориентированная библиотека динамической компоновки для сторонних разработчиков.

7. Разработана библиотека некоторых классов, описывающих объекты ОМД для применения разработчиками различных компьютерных моделей в обработке металлов давлением, включая объекты с деформационными характеристиками некоторых сталей и сплавов, а также программные объекты, моделирующие процесс продольной обкатки труб. Библиотека предназначена для разработчиков программного обеспечения в области ОМД.

8. Рассмотрено использование Ыегпе^технологий при разработке гипертекстовой базы знаний — электронной энциклопедии «Производство труб». Рассмотрен информационно-справочный аспект классификации технологических процессов производства труб, для использования исследователем при поиске необходимых сведений, полезных в компьютерном моделировании. Обсуждены некоторые вопросы использования современных средств информатики. Так, показано, что гипертекстовые системы позволяют эффективно создавать информационно-справочные системы в области обработки давлением. Использо.

196 вание Java-объектов позволяет строить достаточно гибкие, простые в применении, не зависимые от платформ реализации компьютерных моделей ОМД.

Все разработанные модели и соответствующее программное обеспечение используются в учебном процессе при курсовом и дипломном проектировании студентами, обучающимися по специальности «Обработка металлов давлением» на кафедре ОМД УГТУ, а также аспирантами.

Практическая значимость результатов исследований, выполненных в рамках диссертационной работы, подтверждается, в частности, результатами внедрения пакета «ПВП-Эксперт» на ОАО «Верхне-Салдинское металлургическое производственное объединение» («ВСМПО»), а также практическим использованием разработанной имитационной модели при обосновании способов настройки обкатных клетей при продольной обкатке в условиях цехов № 6, 11 Первоуральского новотрубного завода.

Основное содержание диссертационных исследований отражено в 9-и печатных публикациях. Материалы докладывались на 5-и научных конференциях и семинарах, в том числе 4-х международных.

Рассмотренные в диссертационной работе компьютерные модели некоторых процессов ОМД, а также другое программное обеспечение, разработанное автором по близкой к диссертации тематике, в виде демонстрационных версий размещены и доступны для свободного копирования в сети Internet по приведенным в прил. 8 адресам. Там же опубликованы некоторые авторские статьи и материалы, касающиеся тематики диссертационной работы.