Статья посвящена задаче аналитического синтеза управления, стабилизирующего положение в пространстве беспилотного летательного аппарата (БЛА) мультироторного типа – мультикоптера. Проведен анализ БЛА подобного класса, определены особенности, место и отличия различных конструктивных схем среди БЛА. Обоснован вид пространственной математической модели, описывающей поступательное и вращательное движение мультикоптера, в качестве которой рассматривается модель четырехвинтового БЛА – квадрокоптера, так как такие БЛА являются широко распространенными и обладают основными свойствами, которые присущи таким летательным аппаратам. Произведен переход к линейной упрощенной модели движения БЛА путем линеаризации и обоснования основных допущений, сделанных при линеаризации математической модели. Задача определения стабилизирующего управления сводится к классической форме аналитического синтеза управления, минимизирующего заданный интегральный функционал качества. Особенностью рассматриваемого функционала качества является обоснование нормировочных коэффициентов, позволяющих привести суммируемые подынтегральные переменные различной физической природы к безразмерному виду и учесть реальные ограничения, наложенные технологическими и конструктивными особенностями конкретного БЛА на его маневренные характеристики. В результате аналитического решения задачи получены выражения для оптимального управления, представляющего собой изменения во времени величин скоростей вращения противоположных винтов квадрокоптера, позволяющие стабилизировать положение БЛА в пространстве, компенсируя внешнее нежелательное воздействие на БЛА в виде порывов воздушного потока или других факторов. Проведенное компьютерное моделирование подтвердило работоспособность разработанной методики. Приведенные графические зависимости изменения во времени переменных, характеризующих управляющее воздействие и перемещение БЛА в пространстве, наглядно показывают вид переходных процессов, позволяют оценить маневренные возможности БЛА и сформулировать основные требования к его конструктивным элементам на этапе предварительного проектирования.
Наука и техника
2024. — Выпуск 4
Содержание:
В работе приведены результаты экспериментального исследования процесса горячего брикетирования мелкофракционных отходов черных металлов в пресс-форме с подвижной матрицей. Установлено, что для достижения требуемого значения плотности готовых брикетов 90–95 % (один из основных критериев качества современного металлургического производства) в температурном диапазоне нагрева шихты 700–850 °С давление прессования достигает значений 470–500 МПа. Применение пресс-форм с подвижной матрицей обеспечивает снижение давления и усилия прессования пластичных низко- и среднеуглеродистых сталей до 45 %, высокоуглеродистых малопластичных и труднодеформируемых – до 35 %, чугунов – до 25 %. Удельная работа деформации (энергетические затраты) при нагреве отходов черных металлов до температур неполной горячей деформации снижается в 2,3–2,5 раза. По сравнению с брикетированием в неподвижной матрице при тех же температурах удельная работа деформации снижается на 15–20 %. Процесс деформационного уплотнения дискретного пористого тела протекает при минимальном воздействии сил бокового контактного трения, так как фронт уплотнения (уплотненный слой стружки) перемещается совместно с матрицей в одном и том же направлении при минимальном относительном сдвиге поверхностей трения. Характер деформационного уплотнения и уровень сопротивления деформированию зависят от исходного состояния материала: чем выше пластичность металла, тем интенсивнее увеличивается плотность прессовки; чем больше начальная плотность и предел текучести, тем большее давление прессования необходимо приложить для достижения одного и того же значения плотности. Мелкофракционные добавки металлического или неметаллического происхождения заполняют пустоты между более крупными фракциями стружки и таким образом повышают начальную плотность прессовки и градиент роста давления по мере увеличения плотности.
Ключевые слова
В зависимости от класса в инженерной практике различают решаемые задачи: статические / динамические, плоские / пространственные, контактные / с частичным или краевым опиранием и др. Давление рельса на шпалу, колонны на фундамент, плит перекрытия на стены, фундамента на грунтовое основание – все это типичные примеры практических задач, приводящие к необходимости решения краевых задач – математически и контактных – физически. Из математических постановок контактных задач конструкций, лежащих на упругом основании, известно, что основу их решения составляет поиск закона распределения реактивных давлений на контакте конструкции с основанием, который сложным образом зависит от жесткости конструкции, упругих характеристик основания, внешней нагрузки, характера закрепления конструкции. При решении многих краевых и начально-краевых задачах строительной механики и теории упругости, таких как решение классического однородного уравнения методом собственных функций, при некоторых граничных условиях, вытекающих из рода закрепления балки на концах, важную, порой определяющую, роль играют фундаментальные функции оператора xIV, которые получили свою базовую трактовку академиком А. Н. Крыловым. Однако вычисления по этим формулам весьма затруднительны из-за математических ограничений и громоздкости выражений. В связи с этим в предлагаемой работе использованы собственные функции дифференциального уравнения изгибных колебаний статически неопределимых однопролетных балок для построения функции Грина в виде бесконечного ряда по этим собственным функциям. Построены точные выражения для определения прогибов балок от сосредоточенной силы. Полученные выражения представлены через элементарные функции, носят общий характер и дают возможность решать разнообразные задачи статики, динамики и устойчивости рассматриваемых балок. Авторами получены численные результаты для изгибающих моментов и прогибов защемленной балки и балки с защемленной и шарнирной опорами с использованием компьютерного пакета MATHEMATICA.
Ключевые слова
Рассмотрена методика расчета собственных частот колебаний неравнотолщинных колец, основанная на использовании вариационного принципа Гамильтона и теорий колебаний криволинейных балок типа Эйлера – Бернулли и Тимошенко. Решения задачи представляются в виде рядов Фурье, что позволяет свести ее к решению системы линейных алгебраических уравнений. Задача определения собственных частот сводится при этом к обобщенной задаче на собственные значения матриц. На основе сравнения численных результатов, полученных для эксцентричного кольца, с результатами расчетов методом конечных элементов показаны преимущества использования теории Тимошенко, включающие в себя повышение точности вычислений и возможность идентификации радиальных и радиально-изгибных собственных форм. Исследована возможность снижения вычислительных затрат при использовании теории Тимошенко за счет представления определителя описывающей задачу блочной матрицы в виде произведения определителей более низких порядков. Показано, что соотношения, полученные на основе теории Эйлера – Бернулли, в частном случае равнотолщинного кольца приводят к известным аналитическим формулам для собственных частот колебаний кольца. Полученные результаты могут быть использованы для расчета кольцевых концентраторов ультразвуковых колебаний. Преимущество предлагаемого метода по сравнению с другими известными подходами, например методом гармонического баланса, состоит в отсутствии необходимости работы с дифференциальными или интегро-дифференциальными уравнениями колебаний, которые в случае неравнотолщинных колец имеют достаточно сложную структуру и требуют для своего решения применения вычислительно-затратных операций, например дискретной свертки.
Ключевые слова
Материал статьи отражает основные этапы и результаты разработки малоэнергоемкой технологии получения ячеистого газобетона безавтоклавного твердения с использованием микрозаполнителя на основе гранитных отсевов для сборного и монолитного строительства, включая ее применение в технологии 3D-бетонирования [1–10]. Разработаны и экспериментально обоснованы: методики расчета состава газобетона по критериям плотности и прочности на сжатие в диапазоне марок D350–D900 и классов B0,5–B7,5 конструкционно-теплоизоляционного назначения, а также марок D100–D300 (прочность на сжатие 0,04–1,50 МПа) теплоизоляционного назначения во взаимосвязи с дисперсностью применяемого микрозаполнителя из молотого гранитного отсева с удельной поверхностью соответственно: Sуд ~ 3000–500 см²/г – для конструкционно-теплоизоляционного, Sуд ~ 30000 см²/г (микрокремнезем) и Sуд ~ 20000 см²/г (ультрадисперсные фракции гранитного отсева) – для теплоизоляционного газобетона; методика контроля реологических (технологических) свойств газобетонных смесей, обеспечивающих требуемые условия структурообразования газобетона расчетных составов; методика оценки бокового давления смеси при укладке в опалубки (формы), а также методика и прибор для неразрушающего контроля как кинетики роста прочности твердеющего, так и прочности затвердевшего или эксплуатируемого ячеистого бетона, полученного по разработанной или иным технологиям. Разработаны режимы беспрогревной и малоэнергоемкой (включающей пропаривание при атмосферном давлении) технологии ячеистого газобетона безавтоклавного твердения, что позволяет отказаться от энергозатратного, технически сложного и дорогостоящего автоклавного оборудования при изготовлении сборных изделий и обеспечивает возможность использования разработанной технологии теплоизоляционного газобетона в монолитном строительстве, включая тепло- и звукоизоляцию стен зданий, выполненных по технологии 3D-бетонирования, а также возведение (устройство) в съемных и несъемных опалубках строительных конструкций с использованием газобетона конструкционно-теплоизоляционного назначения.
Ключевые слова
Оптимизация механических характеристик за счет использования полимерных композитов, армированных волокнами, достигается с помощью моделируемого экспериментального проектирования «META». При этом основное внимание уделяется именно улучшению механических характеристик с использованием тростника и кокосовой скорлупы. Этот подход направлен на создание оптимальной конструкции, которая минимизирует расход полимера, обеспечивая при этом заданные механические характеристики и экономическую эффективность. В исследовании, основанном на вероятностном подходе, приоритет отдается методологии оптимизации, основанной на надежности. Для оценки механических характеристик проводится нелинейный анализ нагрузок на уровне системы, при этом моделирование «META» играет ключевую роль в изучении неопределенностей. В рамках «META» коэффициенты неупругого межэтажного смещения рассматриваются как неопределенные переменные, в то время как толщина полимерной оболочки, состоящей из тростника и скорлупы кокосового ореха, считается детерминированной переменной проектирования. Этот усовершенствованный процесс проектирования не только снижает затраты на полимер, но и систематически оценивает экономическую эффективность включения тростника и кокосовой скорлупы, при этом соблюдаются жесткие ограничения надежности конструкции. Явные ограничения на индекс надежности, выверенные с помощью моделирования в «META», обеспечивают устойчивость и адаптивность процесса оптимизации конструкции. Метод численных критериев оптимальности в рамках «META» обеспечивает эффективное решение нелинейной задачи оптимизации проектирования модернизации. В качестве иллюстрации применения приведен пример проектирования, демонстрирующий бесшовную интеграцию тростника и кокосовой скорлупы, что приводит к значительному улучшению механических характеристик в контексте модернизации.
Ключевые слова
Необходимо констатировать, что строительная отрасль Республики Беларусь вынужденно использует мелкий заполнитель для бетона низкого качества из-за отсутствия во многих регионах страны качественных природных песков. При использовании данного заполнителя при приготовлении бетонных смесей и строительных растворов требуется увеличение расхода цемента для подтверждения качества бетона. Результаты данных исследований могут быть использованы для повышения качества мелкого заполнителя в бетонах. Технология получения нормализованного (обогащенного) песка требуемой гранулометрии теоретически и экспериментально зарекомендовала себя положительно за счет введения в природный (тонкий, мелкий, средний) песок фракций гранитного отсева размером ≥(0,5–0,6) мм, образующихся на РУПП «Гранит» Брестской области при производстве крупного заполнителя для бетона. Разработана компьютерная программа Nоrmаlizаtiоn (регистрационный номер 022 от 07.03.2024) для расчета требуемого соотношения исходного материала ‒ природного песка (характеризующегося модулем крупности 0,9 < Мк < 2,5) и переработанного (подготовленного) гранитного отсева размером ≥(0,5–0,6) мм для обеспечения требуемой гранулометрии обогащенного песка с Мк = 3,25–3,50. Выявлены все условия для получения материала любого гранулометрического состава, характеризующегося (при наличии такой потребности) модулем крупности в пределах рекомендуемых действующими ТНПА 2,0 < Мк < 3,5. Эффективность технологии нормализации гранулометрии мелкозернистых природных песков экспериментально подтверждена и обусловливается ростом прочности бетона на сжатие до 25–40 %, прочности на осевое растяжение и срез до 35–45 %, снижением показателя расслаиваемости (раствороотделения и водоотделения) на 30–47 %, а также повышением упругодеформативных характеристик, эксплуатационных свойств (водонепроницаемости, водо-, солеи морозостойкости) и защитной способности бетона по отношению к стальной арматуре, с оценкой степени ее коррозионного поражения. Производственной апробацией подтверждена возможность снижения содержания цемента в бетоне на 10–20 % без ухудшения его физико-механических свойств. По совокупности результатов исследований определено, что прием обогащения природного песка крупными фракциями гранитного отсева может применяться для бетонов различного назначения без ограничений.
Ключевые слова
В статье рассматриваются вопросы городской мобильности населения. В последние десятилетия в России и Беларуси наблюдаются активная урбанизация и увеличение доли жителей в крупных городах. Этот процесс сопровождается автомобилизацией. Муниципальные власти внедряют концепцию приоритета общественному транспорту, развивают метро, трамваи и инфраструктуру для велосипедов. Также приведенные исследования отмечают сложность изменения отношения людей к личному транспорту и необходимость развития общественного транспорта. Подтверждается гипотеза о влиянии мер стимулирования и демотивации использования личных автомобилей при передвижении и эффективности проводимых мероприятий, включая организацию платных парковок и сокращение парковочных мест. Разработаны математическая модель влияния стоимости проезда по 1 км автодороги на количество передвижений по видам транспорта и общее время в пути, а также двухфакторная математическая модель влияния стоимости проезда по 1 км автодороги и стоимости проезда в общественном транспорте на долю перемещений по видам транспорта и видам передвижения. Приведен анализ изменения структуры мобильности населения и параметров дорожного движения, рассчитанных с использованием макромодели г. Тюмени, построенной в программе PTV VISUM для утреннего времени суток. При введении платы за проезд по улично-дорожной сети города с тарифом 30 руб. за 1 км доля передвижений на легковых автомобилях снижается с 40 до 16 %. Дальнейшие исследования направлены на учет влияния других социально-экономических и технологических факторов на структуру мобильности населения, а также на разработку методики определения сбалансированных тарифов для городской транспортной системы.
Ключевые слова
Достоверность результатов органолептического анализа зависит от ряда факторов, влияющих на объективность проводимых испытаний. Повышение достоверности субъективных измерений обеспечивается сегодня главным образом за счет их стандартизации. Однако проблема достоверности субъективных измерений остается, мало того, переходит на новый уровень. Субъективные измерения, связанные с измерением ощущений, требуют особого внимания в контексте достоверности результатов. Динамика повышения достоверности за счет стандартизации факторов отстает от динамики спроса заинтересованных сторон на повышение достоверности субъективных измерений. Цель работы – рассмотреть субъективные измерения с точки зрения развития теории количественных измерений и обосновать модель процесса измерений, обеспечивающую осмысленность результатов в отношении экспертных оценок, обеспечивающих субъективность измерений при проведении органолептических испытаний, по результатам которых формируются решения о соответствии или несоответствии. Объектом исследований являются методы экспертного оценивания, используемые в органолептических измерениях и, в частности, при оценке экспертов, принимающих в них участие. В работе использованы методы исследований: системный анализ теорий измерений, метод альтернатив, стандартизованные методы оценки экспертов. По результатам анализа эволюции развития теорий измерений предложена модель количественных измерений, обеспечивающая осмысленность результатов измерений. Сформулирована проблема обеспечения осмысленности субъективных измерений, проявляющаяся в виде рисков принятия некорректных решений в отношении характеристик пищевой продукции и процессов по результатам экспертного оценивания в силу их недостаточной достоверности. Определен алгоритм количественных измерений, апробированный на конкретном примере экспертного оценивания, демонстрирующий значимость установленной проблемы обеспечения достоверности экспертных оценок.