CC BY
23
УДК 518.5
ИНТЕРАКТИВНАЯ СИСТЕМА, ПРЕДНАЗНАЧЕННАЯ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ, ОРИЕНТИРОВАННЫХ
НА ПРОБЛЕМЫ СТРОЙИНДУСТРИИ
ГНУЧИХЛ.А., ЧЕРНИГОВСКИЙВ.А., ШЕВЧЕНКО Л.П.
Рассматриваются вопросы разработки диалоговых проблемно-ориентированных систем, основанных на знаниях. Математический аппарат основан на теории R-функций и регионально-аналитическом методе, которые позволяют автоматизировать процесс обработки разнородной информации при моделировании сложных геометрических объектов и расчете температурных полей. Проведен анализ по теплотехническому расчету ограждающих конструкций из композитных материалов различной геометрии.
Осуществление инженерных расчетов в настоящее время невозможно без обработки и преобразования больших массивов зачастую разнородной информации. Трудоемкость этого процесса, а также широкое внедрение компьютеров в современное производство предполагают создание целого ряда программных систем, позволяющих автоматизировать процессы обработки информации. Процедуры обработки могут включать в себя:
— моделирование на ЭВМ различных конструкций, удовлетворяющих заданным температурным условиям и требованиям по теплозащите;
— проблему исследования температурного поля;
— проблему ввода начальных данных;
— корректировку данных в процессе моделирования;
— выдачу полученных результатов;
— работу с базами данных.
Вывод Украины из кризиса, возможность стать полноправным партнером в мировой экономической системе в значительной степени зависит от того, каковы будут масштабы использования информационных технологий в различных областях промышленности, в том числе в стройиндустрии.
Непосредственно исследовать строительные конструкции и процессы, происходящие в них, бывает весьма сложно и дорогостояще, а во многих случаях невозможно. Поэтому одним из методов научного познания любых объектов и процессов реального мира, в том числе проектирования ограждающих конструкций зданий и сооружений, является компьютерное моделирование. Исследуемая модель в этом случае может быть представлена тремя основными компонентами: ЭВМ, программой, описывающей объект и исследуемое явление, числовыми исходными данными примера. Тогда ЭВМ может рассматриваться как универсальный испытательный стенд, программа — как методика проведения испытания, исходные данные — как конкретный экспериментальный образец конструкции.
Анализ применения теории R-функций и обобщение опыта построения программирующих систем позволили разработать интерактивную систему “ИНЖЕНЕР”. Она предназначена для обработки геометрической, логической и аналитической информации при компьютерном моделировании теплового состояния объектов сложной формы и решения задач оптимального моделирования конструкций. Система также предполагает работу с базой знаний по проблеме строительства.
Алгоритмические и программные средства системы образуют проблемно-ориентированный комплекс прикладных программ, состоящий из следующих пакетов:
— “FORMA”, обеспечивающего построение геометрических объектов;
— “АНАЛИЗ”, ориентированного на решение оптимизационных задач и анализ результатов;
— специализированной системы “ТЕПЛОВОЕ ПОЛЕ”, обеспечивающей реализацию вариационного, структурного, регионально-структурного методов. Она позволяет решать задачи по расчету температурных полей в телах различной формы при разнообразных условиях теплового нагружения на стационарных и нестационарных режимах работы конструкций.
Система “ИНЖЕНЕР” ориентирована, в первую очередь, не на пользователей-программистов, а на инженеров-конструкторов, технологов и исследователей. Поэтому при ее разработке и создании преследовались две цели:
1) формирование и накопление знаний;
2) общение пользователя с системой на естественном профессиональном языке.
База знаний содержит алгоритмы и пакеты программ, набор конструктивных элементов конструкций, наборы различных вычислительных схем, методов, физических характеристик, а также набор геометрических описаний типовых моделей. Редактирование типовых графических моделей на экране дисплея в более сложные осуществляется конструктором. Пользовательский интерфейс оформлен в виде диалога. В процессе диалога пользователь конкретизирует выбранный путь посредством ввода ответа или изменяет значение физических и (или) геометрических параметров исследуемой конструкции. Сеанс начинается с выбора режима работы: инженерные расчеты, моделирование конструкций, решение краевой задачи, обработка экспериментальных данных, конструирование алгоритмов. Дальнейшая последовательность вопросов, задаваемых системой, зависит от текущего состояния базы знаний.
В рамках системы “ИНЖЕНЕР” проведена серия вычислительных экспериментов по исследованию ограждающих энергосберегающих конструкций зданий на предмет удовлетворения комфортной обстановки внутри помещения.
Разработка и исследование ограждающих конструкций зданий, удовлетворяющих требованиям теплопередачи, включает в себя круг задач, одной из которых является сохранение тепла и уменьшение потерь энергии. Параметры среды помещения с продолжительным пребыванием людей должны находиться в зоне комфортной обстановки. Комфортными считаются условия, при которых терморегуляторная система человека испытывает наименьшее
РИ, 1998, № 2
149
напряжение. При современной нормативной документации, регламентирующей параметры микроклимата, тепловое состояние окружающей среды является определяющим.
Ощущение теплового комфорта в помещении определяется температурой окружающего воздуха tB, а также внутренних поверхностей ограждающих конструкций тв.
В настоящее время в жилых зданиях нормативный перепад между температурой внутренней поверхности стены и внутреннего воздуха составляет 60С, что не отвечает условиям комфортности. Комфортные условия наблюдаются при перепаде 2-30С.
Повышение требований к теплоизоляционным свойствам ограждающих конструкций вызывает необходимость искать новые материалы и изделия, а также уточнять методы расчета теплотехнических характеристик для обоснованного выбора предлагаемых решений. Наряду с традиционными кирпичными, панельными, монолитными, в том числе из облегченного бетона, стенами в малоэтажном, особенно в сельском строительстве, широко применяются бетонные камни, удобные как в изготовлении (не требуют заводских мощностей), так и в строительстве (заменяют до 7 кирпичей в кладке). Эта экономичность определяет целесообразность их применения. До настоящего времени оценка теплотехнических характеристик камней проводилась по средней плотности — р0, и для стен жилых зданий рекомендовались камни с р0 < 1350 кг/м3, так называемые "эффективные". При этом не учитывалась неравномерность распределения характеристик материала по объему камня и, что особенно существенно для теплоизоляционных свойств, — наличие поперечных (по отношению к поверхности стены ) перемычек из плотного бетона, толщиной не менее 2 см, так называемых "мостиков холода". Для оценки влияния "мостиков холода" были проведены расчеты стены из двух рядов камней. Варианты коэффициентов теплопроводности — X приведены в табл. 1. Материал камней — бетон, р0 = 1200 кг/м3, т.е. камни эффективные.
Таблица 1
Вариант Коэффициенты теплопроводности, Вт/м*ос Температура внутренней поверхности стены, С
Мини- мальная Макси- мальная
I Xi=0,26 X2=0,26 14 14
II Xi=1,2 X2=0,22 9 13
III Xi=1,2 X2=0,l 12 14
Как видно из расчета по первому варианту, теплоизоляционные свойства стены вполне удовлетворительны, однако учет “мостиков холода” значительно ухудшает эти показатели (вариант II). В качестве меры, позволяющей изменить положение, нами предложено применять материал с более
высокими характеристиками (вариант III, X2=0,1). Результаты расчета иллюстрируют эффективность предложенного решения.
Рассмотрена также конструкция, состоящая из трех различных материалов, физические и геометрические характеристики которых отличаются на несколько порядков. Выявлен характер влияния конструктивных параметров и теплотехнических характеристик на распределение температурных полей в толще конструкции. Анализ исследования позволил сохранить привычные размеры стены, повысив сопротивление теплопередаче в два раза. Достоверность полученных результатов определялась путем их сравнения с экспериментальными данными, полученными другими методами.
Для определения погрешности вычислений был проведен расчет температурного режима однослойной виброгазосиликатной панели. Толщина панели — 0,24м.
Характеристики материала: X = 0,47 Вт/м0С;
с = 840 Дж/кг0С; р = 1000 кг/м3.
Данные натурных наблюдений температурных полей по нескольким вариантам сравнивались с данными расчетов. В табл. 2 приведена температура воздуха и ограждающей конструкции в начальный момент времени (т=0).
Таблица 2
Температура Данные натурных наблюдений Результаты расчета
наружного воздуха, Н -1 -1
наружной поверхности конструкции, Тн 2 1,96
внутренней поверхности конструкции, 18,5 18,7
внутреннего воздуха, ts 24 24
Максимальная погрешность проведенного вычислительного эксперимента составляет 2%.
Поступила в редколлегию 20.05.98
Гнучих Лариса Анатольевна, аспирантка кафедры информатики Харьковского государственного технического университета строительства и архитектуры. Научные интересы: разработка проблемно-ориентированных систем. Адрес: 310002, Украина, Харьков, ул. Сумская, 40, тел. 40-29-25.
Шевченко Людмила Петровна, канд. физ.-мат. наук, доцент, заведующая кафедрой информатики Харьковского государственного технического университета строительства и архитектуры. Научные интересы: разработка проблемно-ориентированных систем. Адрес: 310002, Украина, Харьков, ул. Сумская, 40, тел. 40-29-25.
Черниговский Владимир Александрович, канд. техн. наук, доцент, старший научный сотрудник кафедры строительных материалов Харьковского государственного технического университета строительства и архитектуры. Научные интересы: теплоизоляционные материалы в строительстве и реконструкции. Хобби: пантомима. Адрес: 310002, Украина, Харьков, ул. Сумская, 40, тел. 40-29-25.
150
РИ, 1998, № 2
