CC BY
23
4. 1НФОРМАЦ1ЙН1 ТЕХНОЛОГИ
ISSN 1994-7836 (print) ISSN 2519-2477 (online)
УДК 004.42 Article info Received 26.01.2017
РОЗРОБЛЕННЯ АВТОМАТИЗОВАНО1 СИСТЕМИ МОДЕЛЮВАННЯ ТА ПРОГНОЗУВАННЯ Ф1ЗИЧНИХ ПРОЦЕС1В У КАМЕРАХ
СУШ1ННЯ ДЕРЕВИНИ
Я. I. Соколовський, О. В. Сшкевич, В. I. Криштапович
НЛТУ Украши, м. M^bBÎB, Украша Розроблено автоматизовану систему моделювання та прогнозування фiзичних процеав у камерах сушшня деревини. Програмне забезпечення розроблено на платформi .NET Framework та мови програмування C#. Розроблене програмне забезпечення дае змогу автоматично розраховувати та проектувати 3Б-компоненти CAD-моделi камери сушшня деревини, що своею чергою, дозволяе зе-кономити час та ресурси у процесi цього проектування. Розроблена автоматизована система дае змогу проектувати та дослщжувати камеру сушшня деревини або ïï компоненти рiзних розмiрiв, без змь ни розробленого програмного коду. Це вдалося досягти завдяки реалiзацiï вдало продуманих алго-ритмiв проектування з використанням прикладного програмного штерфейсу SolidWorks API. Розроблене програмне забезпечення мютить максимально зрозумший iнтерфейс користувача i весь пот-рiбний комплекс шструменлв для спрощення процесу розрахунку та проектування камер сушшня деревини та ïï компонента. Виконання цiеï роботи передбачае розроблення радiально-базисноï штучно'1 нейронно'1 мережi, яка дозволяе визначати параметри агента сушшня деревини у заданш точц камери сушiння деревини i у заданий момент часу. Також виконання ще'1 роботи надае змогу прогнозувати отриманi результати.
Ключовi слова: SolidWorks Flow Simulation; SolidWorks API; CAE/CAD/CAM; аеродинамiчнi процеси; Visual Studio C#; штучна нейронна мережа; Matlab.
Вступ. Робота такого типу дае змогу краще зрозу-мiти сутшсть процесу прогнозування, моделювання та дослвдження методiв сушiння деревини, що в подаль-шому дае змогу суттево зекономити час та матерiаль-ш ресурси при пiдготовцi реальних виробничих про-ектiв з метою !х впровадження на вiтчизняних та за-кордонних ринках збуту. Об'ектом дослвдження у да-ному випадку виступають аеродинамiчнi процеси у лiсосушильних камерах, яю будуть використовувати-ся для розрахунку параметров агенту сушiння деревини (АСД) за допомогою програмного додатку SolidWorks Flow Simulation. Розроблена автоматизована шдсистема дае змогу проектувати та дослвджувати камери сушшня деревини (КСД) чи и компоненти рiз-них розмiрiв, без змши розробленого програмного коду. Це вдалося досягти завдяки реалiзащl вдало продуманих алгоритмов проектування з використанням прикладного штерфейсу SolidWorks API. Виконання дано! роботи передбачае створення програмного забезпечення (ПЗ) для автоматичного розрахунку параметров компонентов КСД, розроблення радiально-ба-зисно! ШНМ, яка дозволятиме визначати параметри АСД у заданш точщ КСД i у заданий момент часу. Також робота передбачае можливкть прогнозування одержаних результапв.
1. Розрахунок характеристик пиломатерiалiв та cnoco6iB ix розмщення. Майже весь розрахунок пи-ломатерiалiв та !х розмiщення у КСД проводиться з використанням перших двох вкладок головного вжна програми. Отже, спочатку потрiбно визначити породу деревини, в цьому випадку вона може приймати таю
значення: Бальза, Береза, Кедр, Червоне дерево, Клен, Дуб, Сосна, Тик.
Вибравши породу, потрiбно зазначити параметри розташування, яких е шiсть видiв. Параметри "А" i "С" знаходяться в межах 120-150 см. Параметр "В" мае межi ввд 5 до 10 см. Своею чергою параметр "Б" зна-ходиться в межах ввд 10 до 15 см. Також до цих параметров належить висота шддонов, яка в цьому випадку може приймати значення в дiапазонi 2-25 см. Останнш параметр - це ввдстань вiд штабелiв до бокових стiн (лiва i права) i знаходиться в межах вiд 5 до 50 см.
Далi потрiбно вказати фiзичнi характеристики пи-ломатерiалiв, якi будуть завантажеш в КСД. Основною характеристикою е юльюсть штабелiв та пилома-терiалiв у цих штабелях. Отже загальна кiлькiсть пи-ломатерiалiв в одному штабелi змiнюеться в межах ввд 4 до 40 од., iз кроком 4 од. Кшьюсть штабелiв може приймати таю значення: 1, 2, 3, 4, 6, 8, 9, 12 та 16 шт. У такому випадку максимальна юльюсть заванта-жувальних пиломатерiалiв становить 640 одиниць.
Наступним кроком е вибiр типу номiнальних роз-мiрiв для довжини пиломатерiалiв. Залежно вiд вибра-ного типу пиломатерiалiв, змiнюеться значення довжини, ширини та товщини цих пиломатерiалiв. 1снуе чотири таких типи, а саме: для внутршнього ринку, для виготовлення тари, для експорту, а також мостовi бруси.
Загалом характеристики прокладок мiж пиломате-рiалами складаються iз товщини, ширини та ввдсташ мiж ними, причому товщина прокладок може приймати значення в дiапазонi 16-40 мм, ширина знаходиться
Citation APA: Sokolovskyy, Y., Sinkevych, O., & Kryshtapovych, V. (2017). Development of an Automated System for Modeling and Prediction of Physical Processes in Wood Drying Chambers. Scientific Bulletin of UNFU, 27(1), 186-196. Retrieved from http://nv.nltu.edu.ua/index.php/journal/article/view/196 186 Scientific Bulletin of UNFU, 2017, vol. 27, no 1
Науковий вкник НЛТУ в межах 25-40 мм, а вщстань мiж ними може мати значения ввд 400 до 1000 мм.
2. Розроблення графiчного штерфейсу програм-ного забезпечення. Розроблене ПЗ складаеться iз п'яти основних вкладок, кожна з яких вщповвдае за вирiшення конкретного завдання. Одним iз завдань ПЗ е отримання даних, якi вводить користувач. У по-дальшому щ вхiднi данi будуть використовуватися для проведення розрахунку, результати якого дозволять вибрати параметри компонент1в КСД. Вхвдш да-нi вводять у першш вкладцi головного вiкна програми (рис. 1). Ця вкладка дае змогу користувачу здшснюва-ти таю операци:
1. Вибирати породу деревини;
2. Вказувати вщстань до кра1'в КСД;
3. Встановлювати висоту вiд штабелiв до фальшстелi;
4. Встановлювати висоту пiддонiв та вщстань мiж штабелями;
5. Задавати потрiбну кшьюсть пиломатерiалiв в одному штабелц
6. Вказувати загальну кшьюсть штабелiв;
7. Вибирати тип розмiрiв та вказувати 1'хш значения;
8. Отримувати характеристики всiх прокладок мiж пи-ломатерiалами;
9. Здшснювати розрахунок розмiрiв КСД згiдно з вхщ-ними даними.
Для того, щоб спроектувати компоненти КСД, користувач повинен ознайомитися, i в разi потреби, внести змши в ряд параметрiв, значення яких програма визначае автоматично, виходячи iз введених користу-вачем вхiдних даних. Значення цих параметрiв наведено у другш вкладцi головного вiкна програми (рис. 2).
Автоматичний розрахунок та побудова камери сушшня деревини | Онкевич O.B. | НЛТУ УкраТни - 2016 ] v.11.22
Файл Проект Параметри Формат Довщка Ви&р основних вхздних данихj Результати проведених розрахунюв Результати 3D проектування Bn6ip параметре експерименту Результати проведеного експерименту Порода
А 12:.:: ; см в 5,:: ; см
с 12-:: : см d ic.cc : см
Характеристики прокладок м|ж пиломатер<алами
Товщина прокладки стамовить 40 мм Ширина прокладки становить 40 мм Вщстань мЬк ними матиме боо : мм
Список додаткових параметр1В
Висота пшоьнв: 8.00 см
Вщстань Bin пакет1в до бокових спн (niea i права): 20.00 : см
ф!зичн! характеристики завантажувальних пиломатер1ал!в
К|льк|сть 40
лигежатераапш в тагет
Кшьюсть 16
неоох1Дних кам пакета Загальна к|льк!сть пиломатер1алш становить 640 шт.
BicajKiTb тип номшальних poMipiB для довжини лиломатерМв (•) внутр|шм|й ринок О виготовлення тари О для експорту Довжина (L) Товщина (Н) Ширина (W) О мостов! бруси
4,25 v m 75 v mm 150 v mm
Розрахувати
Рис. 1. Вкладка введения вхвдних даних
Автоматичний розрахунок та побудова камери сушшня деревини | Онкевич O.B. | НЛТУ УкраТни - 2016 ] v.11.22
Файл Проект Параметри Формат Довщка
Виб<р основних вхздних даних "'езультати лроееденихрозрахун^в Результати 3D проектування Виб|р параметр® експерименг/ Результати проведеного експерименту
Пров!вши розрахунки. рекомендуеться спроектувати сушильну камеру з такими ф|зичними характеристиками та з використанням таких компонента
Сушильний прост ip Корпус сушильно! камери
Довжина 5.7 (м) Загальна довжина 5.7 (м)
Висота 3.89 (м) Висота до стел1 3.89 (м)
Ширина 4,65 (м) Загальна ширина 4.65 (м)
Об'ем 103.1044 (мЗ) Товщина ст1н so : (мм)
Система теплопостачання
Система зволоження пов1тря
Тип калорифера водяний DRHS4 v Тип зволожуючих форсунок пневмат. AN#4 v
К1лькють калорифер!в 4 v ! (шт) Юльюсть зволожуючих форсунок 4 t (шт) В|зуал1зац|я: (•) Спрошена О Повна
Фальшстеля сушильноГ камери
Переглянути характеристики калорифера Система вентиляци пов|тря
Довжина 436.8 та ширина 53.1
Вщстань mix боковими проходами становить Висота стел! 104.3 та ширина одного каналу Вщстань мок припливно-витяжними каналами
бокових проход!в (см) (см)
Тип вентилятора осьовий VO#4
490.35
85
232.5
(см) (см)
К|льюсть вентилятора 4 Щ (шт) В|зуал1зац|я (•) Спрошена О Повна
Переглянути характеристики Форсунок
Зберегти параметри Завантажити ранше збережен1 параметри
Щоб побудувати деталь. вибер1ть и 3i списку:
Штабеш V @ здйснити перегляд
Переглянути характеристики вентилятора
Побудувати компонент
Спроектувати задану л!сосушильну камеру
Рис. 2. Вкладка результата проведених розрахунюв
Друга вкладка дае змогу автоматично визначати
такi параметри:
1. Сушильний простар КСД (довжина, висота, ширина, об'ем);
2. Корпус КСД (довжина, висота до фальшстел^ ширина, товщина стш);
3. Фальшстеля КСД (довжина, висота та ширина прохо-дiв, висота стелi та iншi розмiри припливно-витяж-них каналiв);
4. Система теплопостачання (тип водяного калорифера та 1хня кiлькiсть);
5. Система зволоження повиря (тип зволожувальних форсунок та 1хня кiлькiсть);
6. Система вентиляци повггря (тип осьового вентилятора та 1хня кшьюсть).
Автоматичне визначення ycix параметр1в КСД на-самперед залежить вiд сушильного простору, значения якого розраховуеться згiдно i3 вхвдними даними. Визначивши параметри, користувач може повшстю спроектувати КСД або один з li компонент1в, вибрав-ши його зi списку i натиснувши вiдповiднy кнопку. Процес побудови е автоматичний i здiйсиюеться шляхом використання прикладного програмного штер-фейсу SolidWorks API (Aliamovskyi, 2004; Rykhter, 2007). Для реатзаци всiх потрiбних нам фyнкцiональ-них можливостей використано компоненти трьох ба-зових бiблiотек SolidWorks, яю е передумовами вико-
Науковий вкник НЛТУ ристання макрос1в. Результати побудови КСД та и компоненпв, а також весь !хнш перелш можна перег-лянути у третш вкладцi головного вiкна програми (рис. 3). За допомогою ще! вкладки можна здшснюва-ти такi операци:
1. Редагування завантажених докуменлв;
3. Завантаження нових докуменив;
4. Видалення одного чи бiльше докуменлв;
5. Перегляд завантажених деталей чи збiрок;
6. Отримання iнформацií про завантажеш документи. Пройшовши налаштування третьо! вкладки, маемо
усi потрiбнi нам компоненти КСД, а отже, тепер мо-жемо приступати до створення та налаштування ново-
го дослвдження у середовищi для гiдрогазодинамiчних дослiджень SolidWorks Flow Simulation.
Наступна четверта вкладка слугуе для надання ш-формацп щодо створення нового або налаштування наявного експерименту у середовищi SolidWorks Flow Simulation, наприклад вибiр початкових умов досль дження пiд час створення нового проекту (рис. 4).
Остання, п'ята вкладка, слугуе для надання шфор-маци про результати проведених експеримент1в. Зага-лом ця iнформацiя охоплюе набiр поверхонь, iзопо-верхонь, рiзноманiтнi траектори руху повiтря, а також графтв (рис. 5).
Рис. 3. Вкладка результата проведеного ЗБ-проектування
Автоматичний розрахунокта побудова камери сушшня деревини | Онкевич О.В. | НЛТУ УкраГни - 2016 | v.11.22
Файл Проект Параметри Формат Дов|дка
Виб!р основних вхздних даних Результати проведених розрахункгё Результати 3D проектугаання Виб1р параметров експерименту Результати проведеного експерименту
Створення проекту SolidWoiks Row Simulation Налаштування проекту SolidWoiks How Simulation Налаштування проекту SolidWorks Simulation
Тип достдженья Виб|р текучого середовища Bn€ip материалу за замовчуванням Виб|р граничних умов зовншн!х граней Виб|рпочатковк>: умовмоделювання
Parameter Value
Parameter Definition User Defined
El Thermodynamic Parameters
Parameters: Pressure, temperature
Pressure 101325 Pa
Pressure potential 0
Temperature 293.2 К
E Velocity Parameters
El Solid Parameters
0 Humidity
Relative humidity 60£
с^ь Analysts type ¿Vj Fluids ££ Solids
Wall conditions l^l Initial conditions
Рис. 4. Вкладка вибору параметрiв для створення нового проекту
Автоматичний розрахунок та побудова камери суипння деревини | Онкевич О.В. | НЛТУ УкраТни - 2016 | v.11.22
Файл Проект Параметри Формат Довщка
Вийр основних вмдних даних Результати проведених розрахунюв Результата 3D проектування Виб|р параметра експерименту Результата проведеного експерименту
Анал!з поверхонь та золоверхонь Анал1з траектори руху пов!тря I ннатз граф|К1в \
points
Н. %
points
100
Рис. 5. Вкладка результата проведеного експерименту
3. Створення та налаштування проекту SolidWorks Flow Simulation. Для того, щоб створити проект Flow Simulation, потрiбно пройти п'ять кроков, у кожному з яких треба зазначити деяк параметри. Перший крок слугуе для вибору аналiзу дослiдження, який у цьому випадку е внутршшм (Internal).
Другий крок слугуе для вибору текучого середови-ща, яке в цьому випадку представлене повiтрям та водою. Пов^я використовуеться як основне середови-ще, розташоване вздовж КСД, у той момент як вода використовуеться у калориферах для !х пiдiгрiву. Ок-рш цього, в налаштуваннях також потрiбно вибрати параметр зволоження повiтря. Третш крок слугуе для вибору матерiалу за замовчуванням, який у цьому випадку представлений Aluminum 5052, осюльки цей матерiал найкраще шдходить для корпусу та стелi КСД. Варто зазначити, що усi детат, для яких матерь ал зазначено не буде, приймуть вказаний нами матерь ал за замовчуванням.
Наступний, один iз найважливших крок1в, слугуе для вибору граничних умов на зовнiшнiх гранях. У цьому випадку потрiбно вибрати коефщент теиловщда-чi на рiвнi 20 Вт/м2 за загально! температури зовншньо-го текучого середовища на р1вш 293,2 К, що, своею чертою, становить 20,05 °С. Останнш крок слугуе для вибо-ру початкових умов моделювання потоку, серед яких термодинамiчнi параметри, параметри швидкостi, тур-булентносп, сiтки та зволоження. У цьому випадку пот-рiбно вказати температуру на ровш 20,05 °С та швид-к1сть руху повiтря по ос Х на рiвнi 2 м/с.
Шсля виконання всiх наведених вище налашту-вань отримуемо новий створений проект дослвдження у додатку SolidWorks Flow Simulation, i тепер можна приступати до безпосереднього вибору граничних умов дослвдження.
Для проведения дослвдження потрiбно використа-ти (Sokolovskyy, & Sinkevych, 2016; Sokolovskyy, & Sinkevych, 2016; Sinkevych, 2016) спроектовану раш-ше КСД, яка мктить корпус лкосушильно! камери,
фальшстелю, дверi, штабелi у кшькосп 16 шт., шiсть осьових вентиляторов та п'ять водяних калорифер1в. OKpiM цього, для вдалого проведения експерименту, створено ряд прокладок, якi розташоваш у веpхнiх от-ворах фальшстелi (загальна кiлькiсть - 4 шт.) та 6 шт. у мОсцях розташування осьових вентилятоpiв. Цi прокладки потpiбнi для проведення розрахунку у додатку SoliwWorks Flow Simulation. yci цi прокладки створюються шляхом використання iнстpументу LIDS.
Також варто зазначити, що наявш водянi калори-фери у кiлькостi 5 шт. розташовуються в одному з на-явних бокових проходов, через як може циркулювати повiтpя. 1нший прохщ слугуе для розташування в ньому зволожувальних форсунок, якi в цьому експе-pиментi не використовуються.
Отже, спочатку потpiбно створити пiдобласть текучого середовища для кожного з наявних водяних калориферов, попередньо зазначивши воду як текучу рщину зi швидкiстю руху 1 м/с та початковою температурою 150°С. Наступним кроком е вибip матеpiалiв для компонента КСД. У цьому випадку було здшсне-но вибip матеpiалу для наявних водяних калоpифеpiв. Матеpiалом вибрано залiзо (Iron).
Наступним кроком е задання тиску навколишнього середовища. Для цього потрОбно вибрати 4 прокладки, як розташоваш у верхшх проходах фальшстелО i як слугують для входу та виходу повiтpя. Це завдання здiйснюеться за допомогою Boundary Condition. Далi потpiбно зазначити початкову швидюсть руху води вздовж калориферов. Для виконання цього завдання потpiбно скористатися Boundary Conditions, попередньо вибравши у ньому параметр Inlet Velocity i вказавши швидкость руху води на р1вш 1 м/с. шсля того як було зазначено вхОд води, потрОбно зазначити ïï вихОд. Це завдання також виконуеться за допомогою Boundary Condition, шляхом вказання вОдповОдних прокладок на кожному Оз водяних калорифер1в. Виконання цих трьох крок1в наведено на рис. 6.
ULHu lory I . ил IN L< .■ Î
-У л
Чпч! ЧЧ'Л-1 Гк¥ рв» 1 г pw». : - Ц1 h ^
4P J
ычш
l^h H ч
Рис. 6. Виконання крошв щодо налаштування дослiдження
Наступним кроком е встановлення параметров осьових вентилятор1в. Для цього потрОбно вибрати налаштування вентилятора (Fan), i оскольки використовуеться вентилятор всередиш КСД, то треба вказати
внутрОшнш вентилятор (Internal Fan). У цьому випадку зО списку наявних осьових вентилятор1в внут-рОшнього типу вибрано вентилятор YW12038012BS. Зпдно з базою даних наявних вентилятор1в, обраний
Науковий вкник НЛТУ вентилятор мае характеристики (рис. 7), до яких та-кож належить графiк криво! роботи вентилятора, зпд-но з якою можна вiдстежити його навантаження при робот!
Далi, за допомогою Surface Source потрiбно вказа-ти параметри поверхневого джерела тепла для водя-них калориферов. У цьому випадку поверхневе джере-ло тепла для калорифер1в встановлено на рiвнi 65,4 кВт, чого е цшком достатньо для дослвдження КСД з наявними розмiрами. Як мету дослвдження (Goals) вка-зано тшмальш, максимальнi та середнi значення тем-ператури, швидкостi руху та теплового потоку АСД.
Перед запуском процесу розрахунку потрiбно ство-рити сггки методу скiнченних елемент1в (Aliamovskyi, 2004). Побудова таких сiток е одним iз найбiльш важ-ливих еташв у процесi розрахунку, оскшьки вона за-безпечуе нас прийнятною точнiстю резyльтатiв, а та-кож дае змогу нам оптишзувати li обсяг в оперативнiй пам'ятi. У цьому випадку таких аток е три, кожна з яких слугуе для розрахунку своерщних параметрiв.
Першу сiткy називають Fluid Cells i слугуе вона для розрахунку параметрiв рщин у КСД. Другий тип атки називають Solid Cells i вона слугуе для розрахунку значення твердих тш, яких у нас е достатньо. Третю атку методу скiнченних елемент1в називають Partial Cells, яка слугуе для розрахунку граничних умов КСД.
Зпдно з цими трьома атками видно, що вони роз-ташоваш по всьому периметру КСД, що, своею чертою, забезпечуе вщносно коректну апроксимацiю роз-подiлy температури вздовж стiнок КСД, так як при переходi вiд зовшшньо! поверхш калорифера до внут-рiшнього середовища КСД мае бути присyтнiй своерщний градiент. Пiсля вдалого створення уах сь ток методу скiнченних елеменпв можна запускати сам процес розрахунку кнопкою Run, яка знаходиться на головному вшш додатку SolidWorks Flow Simulation. Загалом процес розрахунку тривав 127 хв i 42 с. За цей час проведено 143 гтерацп. За результатами досль дження розраховано параметри АСД.
Рис. 7. Характеристики осьового вентилятора YW12038012BS
4. Розбиття лiсосушильноí камери та розраху-нок параметрiв АСД. Першочерговим завданням е правильний вибiр точок, по яким будуть формуватися масиви вхiдних навчальних вибiрок. Загальна кшь-кiсть точок не повинна бути занадто велика, оскшьки це призведе до складносп розрахунк1в, але i не занадто мала, оскшьки це призведе до неправильного нав-чання. Отже, для виконання цього завдання потрiбно розбити спроектовану КСД на п'ять однакових пло-щин (рис. 8, а), на кожнш iз яких треба визначити по двадцять точок (див. рис. 8, б). Варто зазначити, що розбиття на площини ввдбуваеться по координат Z, а точки вибираються за значеннями координат X та Y. Загалом КСД мае таю обмеження за координатами: X е [-4,2; 3], Y е [-1,5; 3,4], Z е [-3; 3]. Маючи цi значення, було вибрано 100 точок, координати яких знахо-дяться у заданих межах.
Маючи сто точок по лкосушильнш камер^ за до-помогою програми SolidWorks Flow Simulation (Ali-amovskyi, 2005) отримано параметри АСД на промiж-
ках часу т, який знаходиться в межах ввд т = 0 до т = 100 iз кроком т = 20. Загалом можна отримати 600 значень кожного iз параметрiв АСД (швидюсть V, температура T та волопсть повiтря H). Для того, щоб не наводити усi значення, визначено !хш середнi значення згiдно з часом (табл.).
Табл. Середш значення розрахованих параметр1в АСД
т [ггерацй] V [м/с] T [°C] H [%] Wp [%]
0 0,872725 20,21800 59,94000 ^ 11
20 0,409664 20,25897 59,82021 ^ 11
40 0,199282 20,34971 59,02559 ^ 11
60 0,092871 22,34194 53,91117 ^ 10
80 0,094319 23,76084 50,31265 ^ 9,6
100 0,104247 24,28492 48,01823 ^ 9,2
Параметр Wp не належить до параметрiв АСД. Вiн являе собою р1вноважну вологiсть. Значення цього параметра дае змогу визначити волопсть, яка буде зна-ходитись в проскошчнш рiвновазi iз нашим клiматом. Для того, щоб визначити и значення, потрiбно знати температуру та ввдносну вологiсть повiтря у КСД. II
значення можна визначити рiзними способами, але в цьому випадку було обрано розрахунок графiчним способом. Маючи значення параметров АСД, можна побачити, що температура пов^я iз часом зростае, а його вщносна вологiсть навпаки - спадае. Своею чер-гою, швидюсть руху повiтря спочатку плавно спадае,
шсля чого встановлюеться приблизно на одному ровно Також зпдно з отриманими даними побудовано три графжи (рис. 9), на яких вiдображено змiнy пара-метр1в АСД зпдно з охтми значеннями та пройденим часом.
М
18
11
IS
а
м
И 3.2] [-2.61 3.2] |-1.2S 3.2] Л I [0.1 3.2] |1.46 3.2] [2.8 3.2]
1S
19
20
И 1-7]
[-4 0.2]
И -13]
0
1
[-2.61 1.7] [-1.25 1.7] [0.1 1.7]
[-2.61 0.2] У [-1.25 0.2] [0.1 0.2]
Рис
а)
8. Вигляд розташування: а) 5-ти площин; б) 20-ти точок вздовж КСД
Average velocity [m/s] Average humidity [%]
б)
Рис. 9. Графм 3MiHn параметрiв АСД зпдно з пройденим часом
Ш
ш d* ii
■ JS4TJ 3TSM ЭЮ»? is;«
■ JitM
■ WW ' J3i TF
■ Ш01 ji
H эдц
■ Jotn Щ №ti
■ i'>JK' '1ФЕ'1'4!||1*{Г1и1|1М1-!
A
Uk
Рис. 10. Вигляд поверхш розрiзу "Cut Plot 1"
5. Аналiз проведених експериментiв. Унаслiдок проведення експерименту в середовищi пдрогазоди-намiчних дослiджень SolidWorks Flow Simulation треба було зняти кiлька площин, якi наочно демонстру-ють змiни параметр1в АСД. До них можна ввднести прост поверхнi (Surface Plot) та поверхш розрiзy (Cut Plot). Перша поверхня "Cut Plot 1" вiдображае змшу температури АСД в мiсцях розташування калориферiв за допомогою iзолiнiй (рис. 10). Зпдно з щею повер-хнею видно, як вид1ляеться та поширюеться тепло во-дяних калориферш.
Друга поверхня " Sufrace Plot 1" також вiдображае змiнy температури АСД, однак з шшоо площини (рис. 11, а). В якосп щео площини виступае фальшстеля,
вздовж якоо вiдображаеться змiна температури за допомогою контyрiв. Також на цш поверхнi ввдобра-жаеться траекторiя руху повiтряних мас за допомогою iзолiнiй. Наступна поверхня "Surface Plot 2" вщобра-жае змiнy температури АСД в мiсцях розташування вентилятор1в. Ця поверхня (див. рис. 11, б) дае змогу зрозушти траекторго поширення тепла вздовж КСД.
Наступш двi поверхнi отримано на п'ятш иераци. Наприклад, поверхня "Surface Plot 3" ввдображае змь ну температури вздовж фальшстелi КСД (рис. 12, а). Своею чергою, поверхня "Cut Plot 2" використо-вуеться для ввдображення змши ввдносноо вологосп АСД за допомогою контур1в та iзолiнiй (див. рис. 12, б). Загалом використання часових момент1в дае змогу
Kpa^e BÎ3yanÎ3yBaTH 3mîhh napaMeTpiB ACfl y3goB^ gocnig^yBaHoï KCfl.
3rigHo 3 pe3yntTaTaMH npoBegeHoro eKcnepuMeHTy, 0TpHMaH0 TpaeKTopiï pyxy noBiTpïHux Mac B3goB^ KCfl. 3rigHo i3 3HïToro TpaeKTopiero, Mo^Ha Bi3yantHo noôaHHTH «k pyxaeTtca Ta HarpiBaeTBca noBirp«, npoxo-
gsqu ^epe3 K&nopu^epu. 3aranoM Ha gBag^Tin iтеpaцiï (caMe Ha nia iтepaцiï 6yno 3hïto TpaeKTopiro) bh^ho, ^o cepegHe 3Ha^eHH£ TeMnepaTypu noBiTpï cTaHOBHTL -20,26 °C, i цe 3a no^aTKOBoro 3Ha^eHH£ TeMnepaTypu noBiTpï, BCTaHoB^eHoMy Ha piBHi 20 °C (puc. 13).
R 401.83 3S4.1I
- 386.35
378.59 37D.82 363.0S 355.30 347.54 330.77 332.01 324.25 316.48
- 308.72
300.95 283.20 Temperature (Fluid) IK]
col Plot i : isolfoes Cut Plot 2: contours Cut Plot 2: Isolines Cut Plot 4: contours Cut Plot 4: isolines cut Plot 5 contours Cut Plot 5: isolines Surface Plot 1. contours SurfasaPloM isolines
Relative Humldity|%|
cm Plot 2'. contours Cut Plot 2: isolines Cut Plot 2: contours Ciit Plot 2: isolines
Cut Plot 5: contours CutPlol 5 isolines Surface Plot I contours Surface Plot 1 ■ isolines
Phc. 12. Buraag noBepxHi: a) Surface Plot 3; 6) Cut Plot 2
Phc. 13. 3ara^LHHH BHraag TpaeKTopiï pyxy noBÎTpfl B3goB^ KC^
flpyra TpaeKTopiï (puc. 14, a) Bigoôpa^ae pyx noBiT-pïHux Mac Ta 3MiHy ïxhloï TeMnepaTypu B3goB^ $antrncTe.ni gocmg^yBaHoï KCfl. ^e ogHa TpaeKTopiï,
ïKy 6y.ny 3hïto y npo^ci npoBegeHHï eKcnepuMeHTy, c^yrye gnï Bigoôpa^eHHï 3MiHH BigHocHoï Bo^orocTi noBiTpï b KCfl. 3rigHo 3 uiero TpaeKTopiero (guB. puc.
14, б) видно, що значення вiдносноi вологостi повпря плавно змiнюеться вiд 60 до - 48 %. Траекторш змши ввдносно'о' вологостi було знято на сотш гтерацй, а не на двадцятш, як для змiни температури. Часовий момент змшено для того, щоб краще вiзyалiзyвати змши, адже за малих iтерацiй вони незначш.
Отже, загалом можна констатувати, що за допомо-гою отриманих поверхонь та траекторiй руху повпря можна вiзyально, а не математично побачити змiни параметр1в АСД, як вiдбyваються в КСД у процес и до^дження за допомогою середовища для пдрогазо-динамiчних дослiджень SolidWorks Flow Simulation.
Пров1вши yсi потрiбнi розрахунки, можна присту-пити до графiчного представлення отриманих результата. Для виконання цього завдання було виршено
Укра'ни, 2017, т. 27, № 1 створити графш, на якому можна ввдстежити змiнy температури агента сушшня деревини у просторi та часi. Як простiр виступають рашше згаданi точки, якi розмщент по периметру КСД згiдно з координатами X, Y, Z, i загальна кiлькiсть яких становить 100 шт. Часовою шкалою графша виступае кшьмсть iтерацiй згiдно з промiжком: т е (20; 100).
Отже, для побудови графша (рис. 15, а) спочатку потрiбно вказати двi ос! В якост першо'о' ос було об-рано координатну вкь, яка позначаеться 'points', i ви-мiрюеться номерами точок, кожна з яких мае сво! ко-ординати в межах КСД. Друга вюь ввдображае значення температури, та вимiрюеться в '°С'. Своею чергою, значення часових момента пiдписyються бшя конкретно! криво!, яка ввдповвдае цьому часу.
293.43 293-35 293.27 293.19 293.11 293,02 292.94
1 292.86 292.78 292.70 Temperature (Fluid)
Flow Trajectories 1 FlowTiaiectories 2
60.04 53.37 +6.70 +0.03 33.36 26.69 20.01 13.34 6.67
Relative Humidity I%]
Flow Trajectories 1 Flow Trajectories 2 Flow Trajectories 3
б)
Рис. 14. Вигляд: а) траекторп руху повггря вздовж фалыпстет; б) траекторп змши вщносно! вологост1 повпря вздовж КСД
т, °с
т= 20
т = 40
points
20
40
60
100
б)
Рис. 15. Вигляд графша змши: а) температури повпря; б) вщносно! вологосп повпря у 4aci та npocTopi
20.70-
Temperature (Fluid) — Е49е<1>фСтепя-1
Length (mj
0 1.000 2.000 3.000 «.ООО
Рис. 16. Вигляд графша розповсюдження тепла вздовж бокового проходу
1.000 2.000 1.000 Рис. 17. Вигляд графка теплового потоку калориферiв (Heat Flux)
Аналопчним способом побудовано графiк змши ввдносно! вологостi агента сушiння у просторi та часi (див. рис. 15, б). Як i на попередньому графiку, перша вiсь залишаеться координатною, своею чергою, друга вкь буде вiдображати значения ввдносно! вологосп, яка вимiрюеться у "%". Значення часових момент1в на цьому графшу залишились без змiн. Також варто заз-начити, що пiд час виконання ще! роботи отримано графши розповсюдження тепла вздовж КСД та графш теплового потоку калорифер1в.
Отже, для проведення розрахунку теплового потоку калориферiв вибрано один з бокових проходш. Дат було знято показники температури в цьому проходi (рис. 16). Згiдно з отриманим графiком, температура вздовж обраного проходу змшюеться вiд 20,33°С до 20,66°С, а И середне значення становить 20,495°С.
Аналогiчним способом отримано графш теплового потоку калорифер1в на п'ятш ггерацп (рис. 17). Зпдно з цим графiком, значення теплового потоку змь нюеться в межах вщ 2 Вт/м2 до 115 Вт/м2, а середне значення становить = 58,5 Вт/м2.
6. Створення та навчання радаально-базисноТ ШНМ. Для тестування роботи ШНМ спочатку потрiбно ство-рити навчальну вибiрку, яка в цьому випадку скла-
дй Variables - Htimrcfrty
даеться i3 чотирьох масивiв (рис. 18). Перший масив називають 'Input' i в ньому збергаеться iнформацiя про координати точок та значення моменпв часу. Наступш три масиви, якi називають 'Humidity', 'Temperature', 'Velocity' мктять шформацго про параметри АСД, яю вiдповiдають значенням масиву 'Input' (So-kolovskyi, & Sinkevych, 2016; Sokolovskyy, & Sin-kevych, 2017).
Workspace
Name Value Min Max
~R Humidity ~R Temperature 1] Velocity ~R input <600x1 doublet <600x1 double> <600x1 double> <600x4 double> 11,4934 17,3526 0,0015 -4 61,2537 49.7595 1,0700 100
[ Humidity ■ I Temperature
Рис. 18. Масиви навчально'1 вибiрки для ШНМ
Кожен Í3 вхiдних MacrnÍB мае по 600 Ha6opÍB да-них, оскiльки у нас е по 20 точок на 5 площинах, а отже - це 100 точок. Своею чергою, часових момента е 6 шт., тобто час ще ввд 0 до 100 Í3 кроком 20 ггерацш. Загалом вигляд структури даних для вхiдних масив1в наведено на рис. 19.
tsiii Variables - input
Humidity x Temperature x Velocity x | input
Humidity <600x1 double}
input <600^4 double>
100 101 102
103
104
105
106
107
108
109
110 111 112
113
114
1 2
59.9400 60.9911 60.6799 61,1059 61.0152 59.3555 61Ш87 60.5760 60.5307 61.0516 60,4537 573406 60.9992 60,7495 60.4262
100 101 102
103
104
105
106
107
108
109
110 111 112
113
114
1
2.8000 -4 2.8000 0.1000 -1.2500 -2.6100 -4
1X600 2.8000 0.1000 -1.2500 -2.6100 -4
1X600 2.8000
2
32000 -13000 -13000 0.2000 0.2000 0.2000 0.2000 0.2000 0.2000 1.7000 1.7000 1.7000 1.7000 1.7000 1.7000
3
2JBCQo| -2.8000| -2.8000| -2.8000| -2.8000| -2.8000| -2.8000 -2.8000| -2.8000 -2.8000| -2.8000 -2.8000| -2.8000 -2.8000| -2.8000
Рис. 19. Вигляд структури даних для навчально'' вибiрки
Науковий вкник НЛТУ Маючи навчальну B^ipKy, розроблено функцию, яка дае змогу створювати та використовувати ШНМ (Potjomkin, 1999). Ця фyнкцiя 'Mynetwork' приймае тага параметри:
• X, Y, Z, T - значення координат шукано! точки КСД у заданий момент часу.
• Type - тип параметра АСД, тобто V - швидюсть, T -температура, H - волопсть.
• Input, Vel, Tem, Hmd - масиви навчально!' виб1рки, за якою ШНМ буде навчатися.
Програмний код функци 'Mynetwork' мае такий вигляд:
functloii ^е^^г. =^yne^rork Y, Z,
Унаслвдок використання фyнкцiя 'Mynetwork' по-вертае нам шукане значення параметра АСД у заданш точщ КСД i у заданий момент часу (рис. 20).
input. Velocity, Т егере raiture, Huraidity) input, Velocity, Tereperäture, Huieidity) input. Velocity, Ten-per^ture, Huieidity)
Рис. 20. Приклад використання функцй "Mynetwork"
Згiдно з прикладом, вхвдними параметрами висту-пають координати X = 1,2, Y = 2,1, Z = -2,1, та час т = 174 ггеращя. У результат отримано таю значення: швидюсть руху повiтpя V = 0,02117 м/с, температура T = 27,9896 °С, та ввдносна волопсть пов^я H = 41,2721 %.
Висновки. Унаслiдок виконання роботи створено ПЗ для автоматичного розрахунку паpаметpiв КСД та Н компоненпв. Окр1м цього, розроблене ПЗ дае змогу здшснювати автоматичне проектування камери чи И компонентiв у пpогpамi SolidWorks за допомогою прикладного штерфейсу SolidWorks API. Сам прог-рамний додаток створено за допомогою мови програ-мування C# у сеpедовищi програмування Microsoft Visual Studio 2010.
Використовуючи КСД, яку було зiбpано за допомогою розробленого ПЗ, проведено ряд експеримен-т1в, результати яких слугують основою для подаль-ших розрахунюв. На основi проведених експеримен-т1в отримано значення параметр1в АСД. Також ство-
рено радiально-базисну ШНМ, яка дае змогу отриму-вати значення будь-якого параметра АСД у будь-якш заданш точщ КСД.
На основi результапв проведених експеримент1в здшснено фiксацiю вихiдних результат1в у виглядi по-верхонь (surfaces), iзоповерхонь (isosurfaces), траекто-рiй руху (trajectories) та графш1в (graphs). На основi цих конфiгурацiй експерименту додатково сформовано автозви засобами SolidWorks.
Виконавши цю роботу, можна наголосити на ïï значущостi, адже робота такого типу дае змогу краще зрозумiти сутшсть процесу моделювання, проектування та дослвдження роботи КСД, що дае змогу в по-дальшому ктотно зекономити час та матерiальнi ре-сурси пiд час пiдготовки реальних проектiв з метою ïхнього впровадження на ринки збуту.
Перелiк використаних джерел
Aliamovskyi, A. A. (2004). SolidWorks\CosmosWorks Inzhenernyi analiz metodom skinchenykh elementiv. Moscow: DMK, p. 430. [In Russian].
Aliamovskyi, A. A. (2005). SolidWorks kompiuterne modeliuvannia v inzhenerniipraktytsi. St. Peterburg: BKHV, p. 800. [In Ukrainian].
Potjomkin, V. G. (1999). Sistema inzhenernyh raschetov MATLAB
5.h. (In 2 vols). Moscow: Dialog-MIFI, p. 304. [In Russian]. Rykhter, Dzheffry (2007). CLR via C#. Prohrammyrovanye na plat-forme Microsoft .NET Framework 2.0 na yazyke S#. Master-klass./Per. s anhl. Moscow: Russkaia Redaktsyia; St. Peterburg: Pyter, p. 656. [In Russian]. Sinkevych, O. V. (2016). Rozroblennia prohramnoho zabezpechen-nia dlia proektuvannia lisosushylnoi kamery za dopomohoiu in-terfeisu SolidWorks API. Advanced computer information technologies (pp. 153-155). Materialy VI Vseukrainskoi shkoly-seminaru molodykh vchenykh i studentiv ASIT 2016, Ternopil: TNEU. [In Ukrainian]. Sokolovskyi, Ya. I., & Sinkevych, O. V. (2016). Rozroblennia SAPR dlia kamer sushinnia derevyny (pp. 269-270). Informatsi-ini tekhnolohii ta vzaiemodii. Materialy III Mizhnarodnoi nauko-vo-praktychnoi konferentsii IT&I 2016, Kyiv: KNU im. T. Shevchenka. [In Ukrainian]. Sokolovskyy, Y., & Sinkevych, O. (2016). Automated System for Modeling and Optimization Aerodynamic Processes in CAD of Drying Chambers. SAPR u proektuvanni mashyn (pp. 31-38). Pytannia vprovadzhennia ta navchannia. Materialy XXIV Mizhnarodnoi ukrainsko-polskoi naukovo-tekhnichnoi konfe-rentsii CADMD 2016. Lviv: Lvivska politekhnika. Sokolovskyy, Ya., & Sinkevych, O. (2016) Software for Automatic Calculation and Construction of Chamber Drying Wood and its Components (pp. 112-119). Perspektyvni tekhnolohii i metody proektuvannia MEMS. Materialy KHII mizhnarodnoi konferentsii: MEMSTECH 2016. Lviv: Lvivska politekhnika. Sokolovskyy, Ya., & Sinkevych, O. (2017). Calculation of the Drying Agent in Drying Chambers (pp. 27-31). The Experience of Designing and Application of CAD Systems in Microelectronics. Materialy XIV-i Mizhnarodnoi naukovo-tekhnichnoi konferentsii "Dosvid rozrobky ta zastosuvannia SAPR v mikroelektro-nitsi (CADSM-2017)", Poliana, Ukraina: Vydavnytstvo PP "Vez-ha i Ko".
Я. И. Соколовский, А В. Синкевич, В. И. Криштапович
РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В КАМЕРАХ СУШКИ ДРЕВЕСИНЫ
Разработана автоматизированная система моделирования и прогнозирования физических процессов в камерах сушки древесины. Программное обеспечение разработано на платформе .NET Framework и языка программирования C #. Разработанное программное обеспечение позволяет автоматически рассчитывать и проектировать 3Б-компоненты CAD-модели камеры сушки древесины, что, в свою очередь, позволяет сэкономить время и ресурсы в процессе этого проектирования. Разработанная автоматизированная система позволяет проектировать и исследовать камеру сушки древесины или ее компоненты различных размеров, без изменения разработанного программного кода. Это удалось достичь благодаря реализации удачно продуманных алгоритмов проектирования с использованием прикладного программного интерфейса SolidWorks API. Разработанное программное обеспечение содержит максимально понятный интерфейс и весь необходимый комплекс инструментов для упрощения процесса расчета и проектирования камер сушки древесины и ее компонентов. Выполнение данной работы предусматривает разработку радиально-базисной искусственной нейронной сети, которая позволяет определять параметры агента сушки древесины в заданной точке камеры сушки древесины и в заданный момент времени. Также выполнение данной работы дает возможность прогнозирования полученных результатов.
Ключевые слова: SolidWorks Flow Simulation; SolidWorks API; CAE / CAD / CAM; аэродинамические процессы; Visual Studio C #; искусственная нейронная сеть; Matlab.
Ya. I. Sokolovskyy, O. V. Sinkevych, V. I. Kryshtapovych
DEVELOPMENT OF AN AUTOMATED SYSTEM FOR MODELING AND PREDICTION
OF PHYSICAL PROCESSES IN WOOD DRYING CHAMBERS
Proper understanding of the nature of the process of forecasting, modeling and research methods of wood drying is necessary to enable saving time and material resources in developing real industrial projects in order to be implemented on the domestic and foreign markets. The object of our investigation is the aerodynamic processes in wood drying chambers that wiil be used for calculating the parameters of agent timber (ASD) using SolidWorks Flow Simulation software application. To perform the tasks we used software for automatic calculation and design of components for the wood drying chamber using the application-programming interface, which is called SolidWorks API. The primary objective in this work is to determine the correct choice points, which will be used to form the arrays of input for the training samples. To perform this task, we decided to divide the wood drying chamber into five planes, each of which is defined by twenty points. Firstly, we have created a radial-basis artificial neural network to get the value of any parameter for drying agent. The function of the neural network of radial basis has three layers. As a result of using the 'Mynetwork' function, we have got the desired value parameter of drying agent in wood drying chamber at a given point and in a given time. Then, we proceed with the graphical representation of the results. To perform this task it was decided to create a graph, where you can track the temperature change of agent timber in space and time. Our space is presented by previously mentioned points that are placed along the perimeter of the drying wood chamber according to the coordinates, at the total number of 100 points. Therefore, to construct the graph of the appearance, we must specify two axes. To conclude, as the result of the work using SolidWorks Flow Simulation experiments, values of drying agent parameters, which include relative humidity, air velocity and its temperature were found. With the average value, graphs for parameter changes of drying agent by time were constructed. Another equally important task that was done was the creation of radial-basis neuron network, which would allow us to get values for parameters of drying agent anywhere in the chamber drying wood and at any time. Lastly, we have created the graphs for drying agent parameter. This task was also performed in the Matlab environment.
Keywords: SolidWorks Flow Simulation; SolidWorks API; CAE/CAD/CAM; aerodynamic processes; Visual Studio C#; artificial neural network; Matlab.
Вщомосп про aBTopiB
Я. I. Соколовський, д-р. техн. наук, професор, Нацюнальний люотехшчний ушверситет УкраТни, вул. Генерала Чупринки,
103, Львiв, УкраТна. E-mail: sokolowskyy@ukr.net О. В. Сшкевич, малстрант 1ТП, Нацюнальний люотехшчний ушверситет УкраТни, вул. Генерала Чупринки, 103, Львiв, УкраТна. E-mail: oleksiy1694@gmail.com В. I. Криштапович, ст. викладач, Нацюнальний люотехшчний ушверситет УкраТни, вул. Генерала Чупринки, 103, Львiв, УкраТна. E-mail: kvi20051@i.ua
