CC BY
13
ИМИТАЦИОННОЕ КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ПОДОТОВКЕ СТУДЕНТОВ ПО НАПРАВЛЕНИЮ АГРОИНЖЕНЕРИЯ
SIMULATION COMPUTER MODELLING IN THE TRAINING OF STUDENTS MAJORED IN AGRI-ENGINEERING
И.О. Вогульский, H.A. Вогульская
I.O. Bogulskii, N.A. Bogulskaia
Математическое моделирование, сыпучая среда, имитационная модель, оптимизация, комплекс программ, вычислительный эксперимент. В статье описывается опыт обучения компьютерному моделированию магистрантов и аспирантов направления Агроинженерия в Красноярском государственном аграрном университете. В работе изложен подход к совершенствованию сельскохозяйственной техники с помощью имитационных моделей. Рассмотрены примеры вычислительных экспериментов, которые проводились с целью оптимизации конструкционных параметров элементов сельскохозяйственных устройств, использующих вибрацию при работе с сыпучими материалами.
Mathematical modelling, granular medium, simulation model, optimization, complex of programs, computer experiment
The paper describes the experience of teaching a course of computer simulation of undergraduates and postgraduates in the Held of Agri-engineering in Krasnoyarsk State Agrarian University. Besides, the paper presents an approach to the improvement of farm machinery using simulation models. It also considers the examples of computational experiments, which were carried out to optimize the design parameters of farm machinery elements using vibration while working with granular materials.
В соответствии с требованиями федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования (ФГОС ВО) по направлению Агроинженерия для магистратуры и аспирантуры область профессиональной деятельности выпускников включает техническую и технологическую модернизацию сельскохозяйственного производства. Для аспирантов, в частности, в область профессиональной деятельности включены:
- исследование и моделирование с целью оптимизации в производственной эксплуатации технических систем;
- обоснование параметров, режимов сложных технических систем, сельскохозяйственного оборудования.
А.Г. Михайлова утверждает, что «в настоящее время требуется инженер, легко адаптирующийся к меняющимся условиям. В связи с этим важнейшими требованиями к личности будущего инженера являются способность к
творчеству, профессиональная мобильность» [Михайлова, 2015].
Авторы статьи делятся опытом использования одного из методов исследования и моделирования технических систем для совершенствования сельскохозяйственной техники.
Моделирование динамических систем. Имитационное компьютерное моделирование является мощным подходом к исследованию сложных динамических систем. Оно дает возможность провести анализ существующей системы или определить набор конструкционных параметров на стадии проектирования с целью оптимизации работы новых устройств.
Уровень развития вычислительной техники дает новые возможности проведения достаточно точного моделирования различных систем. При этом значительно сокращаются расходы на проведение натурных экспериментов, так как многие параметры устройств определяются еще на стадии компьютерного моделирования.
<
m
Щ
$9
I %
С И
о
ь
к к
W Рq Н U
Рч < ^
о ^
о о о Q
£ W
н S о
Рч W
о §
к
и
W V S
ь
1-4
<с п
W
с
S
Д
н и
щ
PQ
Кроме того, для ряда задач постановка опыта на реальной модели трудно реализуема или экономически неоправданна. В большинстве случаев современные средства компьютерного моделирования обеспечивают достаточно высокий уровень адекватности модели.
Развитие методов имитационного моделирования было закономерно связано с ростом числа ЭВМ и улучшением их характеристик. Методы компьютерного моделирования основаны на численных методах, методах дискретной математики, исследования операций, математической статистики.
Имитационная модель строится на основе математической модели системы и представляет собой программно реализованный алгоритм функционирования системы. Использование имитационной модели предполагает проведение на компьютерах серий экспериментов с моделями, которые реализованы в виде комплекса компьютерных программ. В ходе ряда экспериментов проводится сравнение характеристик моделируемого объекта, исследуется зависимость их от набора параметров, проводится оптимизация характеристик объекта в соответствии с заданным критерием.
Имитационное моделирование, в отличие от аналитического, основано на том, что программно реализуется процесс функционирования динамической системы во времени. Имитируются элементарные события, протекающие в системе, с учетом законов взаимодействия элементов системы и последовательности протекания событий. Это дает возможность получения по исходным данным картины изменений в состоянии системы с течением времени и позволяет оценить оптимальные значения параметров системы.
«Имитационное моделирование может быть основой структурного, алгоритмического и параметрического синтеза больших систем, когда требуется создать систему, удовлетворяющую набору требований при определенных ограничениях, оптимальную в соответствии с некоторыми критериями оценки эффективности» [Советов, Яковлева, 1999]. Имитационная мо-
дель может не давать оптимального решения подобно классическому решению задач оптимизации, но она является удобным инструментом для поиска решения определенной проблемы.
Содержание предложенной имитационной модели. В работе рассмотрен опыт моделирования поведения гранулированной среды. Несмотря на то что сыпучие материалы нередко встречаются в повседневной жизни, в природе, в промышленности, изучение закономерностей их поведения до сих пор еще далеко не закончено. И даже вызывает все более возрастающий интерес в связи с появлением новых задач, связанных с гранулированными средами.
Компьютерное моделирование, заключающееся в решении динамической задачи и отслеживании траектории каждой отдельной частицы, является инструментом, с помощью которого возможно изучение поведения гранулированной среды. В методе дискретных элементов (МДЭ) сложная задача о движении сыпучей среды как целого сводится к множеству простых и решаемых задач о механическом контакте между отдельными гранулами.
При этом использование МДЭ требует очень интенсивных компьютерных вычислений. Это, в свою очередь, требует применения современных технологий программирования, например, распараллеливания вычислений. Поэтому развитие и применение метода имитационного моделирования приходится именно на наши дни, что связано как с возможностями современной вычислительной техники, так и с новыми программными продуктами.
«Объектом исследования для предложенной модели является динамическая система -сыпучая среда в вибрирующих сосудах. Предполагаем, что каждая гранула представляет собой абсолютно твердое тело, окруженное достаточно тонкой упругой оболочкой. Создана математическая модель, описывающая поведение сыпучей среды, которая является основой имитационной модели» [Вогульская, Вогульский, Вишняков, 2009].
На основе математической модели был создан комплекс программ, реализующий имита-
ционные модели поведения сыпучих сред в вибрирующих сосудах для различных параметров. Для реализации имитационной модели была использована среда Delphi6. Выбор обоснован хорошим качеством визуальной среды разработки, достаточной мощностью языка программирования Object Pascal и высоким быстродействием откомпилированных программ.
Исследования технологических процессов машин с использованием вибрации, в которых различные сельскохозяйственные материалы взаимодействуют с вибрирующими опорными поверхностями устройств, позволили отметить следующее. Сыпучий материал в состоянии вибрации приобретает новые, не присущие ему ра-
нее свойства. В частности, в сыпучем материале уменьшаются силы трения и сцепления, и гранулы во время вибрирования приобретают большую подвижность. По физико-механическим свойствам сыпучий материал становится похожим на вязкую жидкость, а, как известно, основное свойство жидкости - ее текучесть. Приобретение сыпучими материалами, подвергающимися вибрации, новых свойств, в частности большей их сыпучести и подвижности, позволяет использовать эти свойства в конструкциях высевающих аппаратов сеялок.
На рис. 1 - результат работы программы, реализующей имитационную модель конструкции с тремя отверстиями в дне.
Введите значения, нажмите "ввод данных*
образец: 0,02
0,02
частоту шаг по времени 10,002
ввод данных
движение лотка
«
4M ^J
Рис. 1. Результат работы программы
На рис. 1 рядом с отверстиями расположены счетчики, по показаниям которых - 44, 67, 49 -через левое и правое отверстия высыпание гранул затруднено. Это вызвано тем, что они расположены рядом со стенками. При вибрации стенки начинают колебаться и создают зоны уплотнения. Свободное высыпание частиц в зонах уплотнения нарушается.
Следующий вычислительный эксперимент проводился для того, чтобы выбрать оптимальный вариант расположения отверстий в дне вибрирующего сосуда, обеспечивающий равномерное высыпание гранул через отверстия в дне. «Созданная имитационная модель применялась для определения зон уплотнения и разрыхления. Считаем часть сыпучей среды уплот-
S X
Н
U
ш
PQ
ненной, если частицы касаются всех "соседей" и разрыхленной в противном случае. Для равномерности выпадения рекомендуется располагать отверстия в зоне разрыхления» [Вогульский, Вогульская, 2011]. На рис. 2 - расположение зон разрыхления и уплотнения для конструкции с двумя отверстиями.
Созданная имитационная модель применялась для решения ряда частных задач: определения оптимального режима вибрации высевающего аппарата - амплитуды и частоты колебаний, влияющих на равномерность высева, исследования поведения сыпучей среды, состоящей из гранул с различными физическими и геометрическими характеристиками.
Опыт применения имитационного моделирования для оптимизации устройств дал положительные результаты.
Библиографический список
1. Вогульская H.A., Вогульский И.О., Вишняков A.A. Оптимизация конструкционных
В данном случае уплотнение материала вызвано колебаниями левой и правой стенок лотка и давлением столба частиц у горловины бункера. Отверстия в дне для данной конструкции расположены в зоне разрыхления. В этом случае высыпание гранул через отверстия не нарушается.
параметров высевающего аппарата вибрационного типа // Вестник КрасГАУ. 2009. № 2. С. 134-136.
2. Вогульский И.О., Вогульская H.A. Численное моделирование движения гранулированной среды в подвижных сосудах // Вычислительные технологии. 2011. Т. 16, № 2. С. 27-34.
3. Михайлова А.Г. Акмеологический подход к формированию профессионально-творческих способностей будущих инженеров в контексте современных требований // Вестник КГПУ им. В.П. Астафьева. 2015. № 4(34). С. 149-153.
4. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. М.: Высшая школа, 1999. 271 с.
Введите значения, нажмите *ввпд дпнных*
еера«ц 0.Ü2
амппиг^ач |j)(jl
«ет«ч jiö
Рис. 2. Расположение зон разрыхления; светлым изображены частицы, расположенные в зоне уплотнения материала, темным - в зоне разрыхления
