Математическое моделирование и синтез магнитострикционных материалов и устройств

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-29-00207

НазваниеМатематическое моделирование и синтез магнитострикционных материалов и устройств

Руководитель Бормотов Алексей Николаевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пензенский государственный технологический университет" , Пензенская обл

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-602 - Моделирование технических систем

Ключевые слова математическое моделирование, магнитострикционные материалы и устройства, многокритериальный синтез материалов и устройств, квантовые вычисления

Код ГРНТИ29.19.39

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Реализация проекта позволит решить актуальную задачу импортозамещения магнитострикционных материалов и разработки теории и технологии моделирования и синтеза отечественных магнитострикционных материалов с заданными параметрами структуры и свойств, а также изготовления изделия на их основе. В ходе реализации проекта будут обобщены и разработаны научные основы математического моделирования и многокритериального синтеза магнитострикционных материалов (ММ); исследованы механизмы управления структурой и свойствами ММ; разработаны и исследованы методы синтеза управляющих воздействий на структуру ММ и оценена эффективность управления по эксплуатационным характеристикам ММ. На основе предложенных теорий и математических методов моделирования структуры и свойств магнитострикционных материалов будут сформированы рецептура и технология получения эффективных магнитострикционных материалов и сплавов. Научная новизна будет заключаться в разработке нового концептуальный подхода к управлению структурой и свойствами магнитострикционных материалов на стадии их получения и на его базе будут разработаны научные основы многокритериального синтеза технологии получения магнитострикционных материалов и сплавов, которые позволят выполнить дальнейшее развитие теории магнитострикционных явлений до уровня практической технологии получения ММ с заданными структурой и свойствами. Практическая ценность работы заключается в создании магнитострикционных материалов нового поколения с регулируемыми параметрами структуры и магнитными свойствами, позволяющих обеспечить заданные технологические и эксплуатационные характеристики различных магнитострикционных устройств.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Бормотов А.Н., Орлов Д.И. Investigation of Perturbations Arising from Temperature Shock with a Symmetrical Arrangement of Flexible Elements of a Small Spacecraft Licensee MDPI, Basel, Switzerland, Symmetry, 2023, 15(7), 1331. Scopus, Q2 (год публикации - 2023)
10.3390/sym15071331

2. Бормотов А.Н. Cure modeling and optimization of the composition of the polymer matrix for magnetostrictive composites EDP Sciences, E3S Web of Conferences 376, 01089 (2023) (год публикации - 2023)
10.1051/e3sconf/202337601089

3. Карпухин Э.В., Бормотов А.Н. Complex of programs for studying magnetic fields of magnetostriction level converters EDP Sciences, E3S Web of Conferences, 2023, 376, 01102 (год публикации - 2023)
10.1051/e3sconf/202337601102

4. Карпухин Э.В., Бормотов А.Н. Numerical methods to calculate magnetic fields of magnetostriction level converter EDP Sciences, E3S Web of Conferences, 2023, 376, 01101 (год публикации - 2023)
10.1051/e3sconf/202337601101

5. Бормотов А.Н., Орлов Д.И., Браткова М.Е. Modeling the deformation of an elastic element of a small spacecraft in its plane during temperature shock EDP Sciences, E3S Web of Conferences, 2023, 376, 01085 (год публикации - 2023)
10.1051/e3sconf/202337601085

6. Бормотов А.Н. Optimization of the magnetostrictional molding composites structure EDP Sciences - Web of Conferences, E3S Web of Conferences 583, 07004 (2024) (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1051/e3sconf/202458307004

7. Карпухин Э.В. Квантово-классический алгоритм исследования магнитострикционных явлений на микроуровне Издательство Пензенского государственного технологического университета, XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. – 2024. – Т. 13. – № 4(68). (год публикации - 2024)

8. Карпухин Э.В., Бормотов А.Н., Манукян Л.С. MODELING THE PROPERTIES OF MAGNETOSTRICTIVE ELEMENTS USING QUANTUM EMULATORS MDPI, Computation 2024, 12, 147 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.3390/computation12070147

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. Для оценки эффективности моделирования магнитострикционных материалов (ММ) введен критерий практической оптимальности. Установлено, что при использовании достоверных данных погрешность метода не превышает 10%. 2. В соответствии с введенной иерархией критериев и выделенными комплексами решаемых частных задач построена иерархическая структура системы – ММ с оценками её элементов. В основу оценок качества моделируемого ММ положена многоуровневая структура критериев качества ММ. 3. Установлено, что для топологически подобных структурных уровней ММ, критерием оптимальности является подвижность, при структурообразовании которых реализуется принцип совмещения структур - оптимальный по выбранному показателю качества материал (структурный уровень) получают из неоптимальных предыдущих структурных уровней. Для материалов, не топологически подобных, в качестве критерия оптимальности принята прочность. 4. Показано, что формирование критериев оптимальности и функционала качества ММ обеспечивается видом кинетических процессов формирования основных физико-механических характеристик ММ (прочность, модуль упругости, контракция и усадка, нарастание внутренних напряжений, химическая стойкость, электропроводность, магнитная проницаемость и т.д.) на основе решения сначала общей, а затем частной задачи идентификации. Для построения целевой функции качества предложено объединение свойств ММ в функциональные группы, внутри которых свойства зависят от одних и тех же факторов, а между группами зависимость минимальна. 5. Разработан функционал качества ММ в виде дробно-рациональной функции, в числителе которой объединены функции свойств, при своем увеличении вызывающие увеличение качества всей системы, а в знаменателе - функции свойств, вызывающие снижение качества системы. 6. Разработаны алгоритмы комплекса программ моделирования ММ, объединяющего модули: обработки экспериментальных данных, синтеза наборов и пакетов нелинейных моделей структурных уровней, анализа и оценки математических моделей, численной оптимизации, анализа результатов оптимизации с возможностью корректировки по критерию точности. 7. Разработан программный комплекс, реализующий предложенные в проекте методы, методики и алгоритмы математического моделирования и многокритериального синтеза ММ на базе методов структурно-параметрического синтеза математических моделей. 8. Разработан обобщенный алгоритм работы квантово-классической информационной системы, сочетающий в себя квантовые эмуляторы структуры материалов и классические алгоритмы работы информационной системы моделирования ММ, состоящий из модулей: 1) получение матрицы гамильтониана; 2) разложение гамильтониана по базисным матрицам Паули; 3) моделирование на квантовом эмуляторе; 4) использование дополнительных алгоритмов и получение результатов расчета; 5) расчет требуемых выходных характеристик исследуемой системы. 9. Разработана структура интегрированной системы компьютерно-имитационного моделирования ММ и архитектура программного комплекса, включающие в себя алгоритмы, квантовые эмуляторы, основные процедуры расчета, записи и хранения данных, диаграмму активности программного комплекса на языке UML, структуру базы данных, вспомогательные библиотеки, драйверы и управляющую программу (оболочку). 10. Разработана общая структура взаимодействия программных модулей (решена задача комплексирования), объединённых в единый программный комплекс – систему компьютерно-имитационного моделирования ММ. 11. Установлены пределы и места расширяемости созданного приложения, определены интерфейсы взаимодействия основных подключаемых модулей с расширенной программной оболочкой. 12. Определены требования к техническому и программному обеспечению. Показано, на базе каких программно-технических средств должно осуществляться эффективное использование разработанного программного комплекса. 13. Реализована на языке программирования система компьютерно-имитационного моделирования и синтеза ММ на основе комбинированного квантово-классического метода (ККМ) с использованием ресурсов обычных ЭВМ и квантовых эмуляторов. 14. Реализация информационной системы ККМ для проведения исследований в соответствии с предложенными алгоритмами была выполнена в среде MS Visual Studio с использованием языков программирования C# – для модуля классических вычислений и Q# – для модуля квантового эмулятора. 15. Выполнено тестирование интегрированной системы компьютерно-имитационного моделирования ММ на известных ММ заводского производства с известными параметрами структуры и известными магнитострикционными свойствами. 16. Разработана методика и алгоритм оценки адекватности математического моделирования ММ с использованием методов корреляционно-регрессионного анализа данных натурного эксперимента, объединяющего процедуры структурно-параметрического синтеза математических моделей ММ в преобразованных координатах, расчета основных статистических характеристик и оценки параметров математических моделей ММ. 17. Выполнен анализ полученных результатов и проведена корректировка вида или структуры математических моделей и алгоритмов расчетов состояния вещества на разных структурных уровнях, а также выполнена настройка квантовых эмуляторов по результатам тестирования на известных материалах. 18. Приведен сравнительный анализ полученных при многокритериальном синтезе ММ, с известными ММ, что свидетельствует об эффективности и адекватности математических методов и моделей, обеспечивающих математического моделирование и многокритериальный синтез с погрешностью не превышающей 10%. 19. Оформлены и получены два Свидетельства о регистрации программ для ЭВМ. 20. По результатам проведенных исследований разработаны практические рекомендации по использованию разработанных методов, алгоритмов, методик, комплексов программ в учебном процессе и народном хозяйстве. https://vk.com/video-24330816_456239653 http://www.penzgtu.ru/272/274/archive/12246/ https://rutube.ru/video/62cc4dea113ac74c1027a6acadbb4f00/

Публикации

Возможность практического использования результатов
В настоящее время в связи с быстрым развитием науки и техники растет спрос на высокоэффективные материалы с многофункциональными свойствами. Современные технологии нуждаются в преобразовывающих материалах, также называемых «интеллектуальными» материалами, которые претерпевают существенные изменения в одном или нескольких свойствах в ответ на изменение внешних условий. В отличие от конструкционных материалов, интеллектуальные материалы обладают физическими и химическими свойствами, которые чувствительны к изменению окружающей среды, таким как температура, давление, электрическое поле, магнитное поле, влажность и т.д. Одними из таких материалов и являются магнитострикционные материалы. Все интеллектуальные материалы являются преобразовывающими материалами, поскольку они преобразуют одну форму энергии в другую, и поэтому они имеют широкое применение, как в качестве исполнительных механизмов, так и в качестве датчиков в различных областях, таких как медицинская, оборонная, аэрокосмическая, морская промышленность и других стратегически важных отраслях. Это обуславливает высокую актуальность создания современных российских магнитострикционных материалов, позволяющих решать задачи обороны и научно-технического прогресса в условиях санкций и требований импортозамещения. Разработанные в результате реализации проекта технологии и материалы могут представлять значительный интерес на международном рынке магнитострикционных сплавов и устройств на их основе.