Лекция №4 построение математических моделей технологических процессов Технологический процесс как система

Система - совокупность определенным образом упорядоченных элементов. Взаимосвязанные и взаимодействующие между собой и внешней средой элементы объединяются в единое целое по некоторым общим признакам. Сущность системы и ее функций невозможно понять, рассматривая только свойства ее отдельных элементов и не учитывая их внутренних связей и взаимодействия с окружающей средой.

Технологические процессы, включающие совокупность разнообразных термомеханических, физико-химических, ионно-лучевых превращений, приводящих к получению материалов, заготовок, деталей машин с заданными свойствами, относятся к числу наиболее сложных систем. В качестве элементов они включают как детали, инструменты, средства оснащения и другие объекты так и реакции, явления, эффекты и другие элементарные процессы.

Системный подход к исследованию и описанию технологических процессов основан на декомпозиции системы на более простые подсистемы, взаимодействующие между собой, раздельном изучении их структуры и функций, с последующим синтезом полученных сведений. При синтезе учитывается выявленная иерархия процессов по масштабам области действия, их пространственное расположение и временная последовательность, а также синергетические эффекты, общее действие которых превышает кажущуюся сумму отдельно взятых воздействий.

Составляющие сложный процесс элементарные явления протекают в областях, масштабы, которых различаются от низшего (уровень атомов и молекул) до высшего (уровень технологической системы, участка или производства). Эта особенность находит отражение в иерархической структуре модели, которую целесообразно строить путем последовательного перехода в описании процесса с одного уровня на другой.

Атомный или молекулярный уровень описывает физико-химические процессы микрокинетики, протекающие в областях, имеющих масштаб расстояний между атомами. Уровень частиц малого объема описывает процессы в масштабе отдельных включений, фаз, структур и т.п. для неоднородной (негомогенной) технологической среды. Эти два уровня должны дополняться явлениями макрокинетики: тепло- и массопереноса, упругости и пластичности в однородной (гомогенной) среде с изотропными и анизотропными свойствами.

Уровень рабочей зоны технологической системы описывает процессы в областях, размеры которых соответствуют крупным агрегатам частиц: зонам термического влияния, деформации, диффузии, оплавления и т.п. Этот уровень учитывает характер движения потоков вещества и энергии. Уровень технологической системы (процесса и установки) учитывает взаимное расположение и размеры рабочих зон и элементов системы, последовательность технологических воздействий.

Кроме того, различные виды воздействий имеют свой структурный уровень эффектов и явлений. Так, для деформационных процессов используются структурные уровни, описывающие иерархию от молекулярного масштаба до размеров малых частиц разрушения (лек.5, табл.5.1).

Модель каждого уровня содержит в свернутом виде модели более низких уровней и соотношения, описывающие переход с одного уровня на другой.

Системный подход позволяет анализировать и моделировать технологический процесс, представленный в виде отдельных блоков, что существенно упрощает описание сложных явлений, не упуская из вида пространственно-временную структуру моделируемой системы, характер связи между отдельными уровнями и подсистемами.