Результаты экспериментальных исследований и выводы учета состояний при расчете систем



 

Методы исследований, использованные при исследовании взаимодействия системы с потоком воздуха, касаются любых видов нагрузок и воздействий и любых видов систем (в составе: здания и сооружения, транспортные системы и устройства, средства доставки и оборудование) независимо от страны и места дислокации и создания.

Классическая физика и термодинамика ограничиваются рассмотрением простых процессов в состоянии равновесия. Любые изменения формы, симметрии и структуры системы до точки бифуркации описываются коллективными процессами, а волновые процессы с резонансными изменениями формы описываются кооперативными процессами в неравновесных и необратимых состояниях.

В нормах приводится информация о видах нагрузок и воздействий для простых (равновесных, независимых) процессов. В природе такие процессы встречаются крайне редко.

В реальных системах (в том числе, при экспериментальных исследованиях) информация о процессах содержит сведения об эффектах наложенных и совмещенных. Эти эффекты необходимо учитывать даже при использовании модельного представления в виде простых процессов.

Информация о коэффициентах сочетания нагрузок и воздействий, приведенная в нормативных источниках, не отражает физическую природу и порядок действия нагрузок.

Величины нагрузок и воздействий (в настоящее время) назначаются в виде предельных дискретных значений на основании статистических выборок прошедших периодов. Величины нагрузок (нормативные значения) увеличиваются на произведения коэффициентов надежности и безопасности, с применением дискретных значений геометрических коэффициентов и корреляции. Особенности объектов задаются дискретными предельными значениями коэффициентов (например, шероховатости).

При выполнении расчетов объектов не учитываются особенности дислокации объекта (влияние экрана, граничных и начальных условий, изменения трения и диффузионных потоков). Циклические и волновые процессы считаются стационарными, однородными, гармоническими и задаются предельными значениями амплитуд. Нагрузки и воздействия ограничиваются рассмотрением материальных тел постоянной формы и структуры.

При проектировании и эксплуатации объектов не учитываются: случайный характер, функции распределения координат и импульсов частиц, вероятность образования на поверхности объекта особенностей и одиночных волн, влияние объекта на изменения окружающей среды и возможности управления величиной и характером нагрузок системы управляющими параметрами.

Исследованиями доказана необходимость перехода к функциям распределения координат и импульсов для частиц объекта с описанием возможных видов и значений флуктуаций.

Существующие принципы выбора нагрузок и воздействий приводят к рассмотрению изолированных систем (действие среды не принимается во внимание и заменяется конкретными дискретными величинами и их сочетаниями) или консервативных систем (обмен со средой энергией).

Изолированные и консервативные системы рассматриваются в состоянии равновесия общего или локального для макроскопических масштабов с использованием постулатов классической физики и термодинамики равновесного состояния. При определении состояния систем выполняются общие экстремальные принципы, с помощью которых имеется возможность предсказывать состояния, к которым может перейти система при изменении степени свободы (независимых процессов). Система считается простой, однородной, постоянной формы, структуры и постоянного порядка. Рассматриваются процессы обратимые по времени. В некоторых случаях рассмотрение состояния системы может быть распространено на квазистационарные состояния (теории упругости, ползучести, течений). Переход к квазистационарным процессам связан с принятием дополнительных гипотез при рассмотрении функций состояния. Совместное применение этих теорий к состояниям близким к равновесию приводит к применению постулатов и гипотез теории приспособляемости в рамках консервативных (изолированных и закрытых) систем. В результате существующие подходы определения внешних сил и напряженно-деформированного состояния объекта (но, не системы в целом) соответствуют простым процессам, которые описывают только модельные состояния систем и в Природе в чистом виде не реализуются.

Как следует из диаграмм Рис.3.2 (коэффициенты ) и Рис.3.4. (коэффициенты ) принятые соотношения не соответствуют полной работоспособности системы (в том числе, консервативных систем, Рис. 3.2).

Работоспособность систем в соответствии с требованиями энергодинамики, определяется значением эксергии. В эксергию входит, как составляющая, упорядоченная часть внутренней энергии.

Внутренняя энергия - способность частиц тела выполнять работу и обмениваться теплом.

Внутренняя энергия определяется суммой всех видов энергий движения и взаимодействия частиц, составляющих рассматриваемое тело, вычисленная в системе координат, в которой центр масс тела неподвижен. Внутренняя энергия не содержит кинетическую энергию движения тела как целого и потенциальную энергию во внешнем поле сил. Внутренняя энергия подразделяется на упорядоченную часть (имеющую векторную природу) и неупорядоченную часть (имеющую скалярную природу).

Упорядоченная энергия (эксергия) системы как целого состоит из полной механической энергии и упорядоченной части внутренней энергии.

Неупорядоченная энергия (анергия) системы как целого состоит из неупорядоченной части внутренней системы.

Отказ от разделения энергии на упорядоченную и неупорядоченную части, и отказ учета необратимости процессов во времени и учета неравновесных состояний приводит к авариям и нерациональному использованию материалов и энергетических ресурсов.

Первая причина аварий и отказов состоит в том, что существующие методы расчета зданий и сооружений, транспортных систем и машин (уравнения равновесия и уравнения неразрывности) основываются на рассмотрении только полной механической энергии системы.

Как показывают экспериментальные исследования, этой части полной энергии системы как целого недостаточно для определения работоспособности системы.

Второй причиной аварий и отказов являются рассмотрение консервативных систем, не учитывающих в состояниях обмен веществом и информацией.

Третьей причиной аварий и отказов являются:

использование в расчетах принципов обратимости процессов во времени;

расчет систем в состоянии термодинамического равновесия.

Четвертой причиной неполных отказов является отсутствие учета влияния информационной энтропии на управление работоспособностью системы.

Таким образом, причины аварий и отказов заложены в любые объекты, рассчитываемые как консервативные системы в состоянии равновесия с использованием постулатов классической физики и термодинамики.

Ошибки, связанные с использованием всевозможных конструкционных (замена материалов и видов конструкций) и технологических (отступление от принятых технологических процессов и ошибки в размерах) вписываются в структуру флуктуаций, которая консервативными системами не рассматривается.

Если существует необходимость создания объектов с обеспечением надежности в течение всего срока службы и управляемостью эволюционного развития систем, то необходимо:

вместо использования дискретных нагрузок и воздействий и множества любых коэффициентов перейти к рассмотрению динамических функций распределения координат и импульсов с флуктуациями;

осуществить переход к рассмотрению открытых систем (обмен энергией, веществом и информацией, включая рассмотрение коллективных и кооперативных процессов) и обеспечением действия управляющих параметров;

использовать подходы к определению состояния систем методами энергодинамики в состояниях стационарных и далеких от состояния равновесия, обусловленных диссипативными структурами с учетом необратимости по времени процессов;

при рассмотрении эволюции систем использовать процессы самоорганизации (синергетический подход).

Существующие системы (например, в виде зданий и сооружений), рассчитанные как консервативные системы по постулатам классической физики и термодинамики, по сути:

являются реальными открытыми системами;

выполняют свои функции в бесконечной смене частичных равновесных состояний в нерегулируемых промежутках времени;

в процессе эволюции в широком диапазоне изменяют свойства и структуру систем, материалов объекта и информационную энтропию;

используют внешние виды энергии (тепловую, электрическую и т.п.) для обеспечения функционального назначения.

Влияние внешних видов энергий на работоспособность системы в целом для консервативных систем не оценивается.

Физические, химические и обменные процессы в системе никогда не прекращаются и находятся в состояниях, далеких от равновесия. Равновесие любого вида это модельное состояние для применения формульно-расчетных методов.

В существующих системах неравновесные состояния развиваются непредсказуемо: их состояние не всегда однозначно определяется макроскопическими уравнениями и при одном и том же наборе условий неравновесная система может переходить к разным состояниям. Поэтому аварии и катастрофы на существующих системах всегда являются неожиданными, необъяснимыми и их относят к действию человеческого фактора и/или к природным аномалиям. Причинами перехода к аварийной ситуации являются флуктуации, малые неоднородности, дефекты и другие случайные факторы, а также новые упорядоченные состояния, которые обладают иной пространственно временной организацией.

Без этих переходов к рассмотрению открытых систем в неравновесных состояниях предстоит постоянно встречаться с проблемами аварий, отказов и катастроф, аналогичные тем, которые были на любых объектах в разных странах в период 1985-2013г.

Проблемы аварий и отказов будут постоянно иметь место на объектах и системах, рассчитанных с использованием постулатов классической физики и термодинамики в виде консервативных систем (т.е. всех системах проектируемых, изготавливаемых и подлежащих изготовлению) независимо от назначения, вида систем, места дислокации и страны разработки и использования. Предстоит выбор между постоянной компенсацией утрат, возникших в результате аварий и катастроф, или выполнению перехода к расчету и исследованию систем методами синергетики.


Сокращения

 

АДТ - аэродинамическая труба;

ТД - термодинамика;- энергодинамика;, CS, OS - виды систем (изолированная, закрытая, открытая);

СМ - механика сплошной среды;- термомеханика.


Дата добавления: 2021-04-24; просмотров: 59; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:






Мы поможем в написании ваших работ!