Программная система исследований динамики технологических процессов формования химических волокон

Программные продукты и системы / Software & Systems

№ 1 (109), 2015

УДК 004.415.2+ 678.01 Дата подачи статьи: 17.11.14

DOI: 10.15827/0236-235X.109.139-144

ПРОГРАММНАЯ СИСТЕМА ИССЛЕДОВАНИИ ДИНАМИКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ФОРМОВАНИЯ

ХИМИЧЕСКИХ ВОЛОКОН

А.Л. Калабин, д.ф.-м.н., профессор, kalabin@tstu.tver.ru; Е.В. Удалов, аспирант, evgeny.udalov@mail.ru;

А.Р. Хабаров, к.т.н., профессор, al_xabarov@mail.ru

Разработано программное средство для исследования динамики технологических процессов формования химических волокон. Производство химических волокон из расплавов и растворов полимеров относится к числу наиболее инновационных отраслей, основной задачей которой является создание волокон с заданными свойствами.

Одним из методов исследования существующих и разработки новых технологий, реализующих данную задачу, является моделирование. При моделировании определяются количественные зависимости между условиями процессов получения материала, структурой его волокон и свойствами. Оно позволяет варьировать технологические режимы, минимизируя дорогостоящие опытные работы.

Предложенная система используется для моделирования динамики процесса двух видов формования волокон: из расплава с приемным устройством и аэродинамическое формование. Программа представляет собой JavaDesktop-приложение, обладающее интуитивно понятным графическим интерфейсом. Оно позволяет в условном виде отображать схему технологических процессов, связи между его элементами и их характеристиками, редактировать параметры элементов схемы, выполнять расчет сил, действующих на волокно, отображать в графическом виде рассчитанные данные. Чтобы исследовать полученные результаты в более функциональных системах, реализован экспорт результатов расчета в файл. В приложении возможно сохранить проект в файл с целью его последующей загрузки.

В программной системе реализованы численные методы решения системы нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений, метод сеток (конечно-разностный метод) в цилиндрических координатах с учетом подвижной границы, интерполяция кубическими сплайнами экспериментальных зависимостей. Предложены алгоритмы выбора граничных условий и верификации численных решений. Так как процедура расчета неустойчива относительно входных данных и довольно продолжительна по времени, она выполняется в потоке, отдельном от потока-диспетчера событий.

Работоспособность программной системы подтверждается результатами моделирования, которые удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными.

Ключевые слова: программа, моделирование, динамические характеристики, формование химических волокон.

Одной из наиболее инновационных отраслей является производство химических волокон. Объем его составляет несколько десятков миллионов тонн в год. Основная задача отрасли - создание волокон с заданными свойствами, которая решается посредством различных технологий. Для исследования существующих и разработки новых технологий применяется моделирование. Оно позволяет определять количественные зависимости между условиями процессов получения материала, структурой его волокон и свойствами. Свойства волокон в основном обусловлены их структурой. Моделирование позволяет определять технологические режимы, минимизируя дорогостоящие опытные работы. Стадия предпроектных исследований и расчетов является определяющей при разработке современных технологических процессов формования химических волокон. Эти исследования основаны на взаимосвязанном рассмотрении комплекса одновременно действующих сложных физико-химических явлений при элонгационном течении тонких неизотермических струй расплавов и растворов полимеров.

Реализовать и использовать математические модели технологических процессов формования

химических волокон возможно только в программной системе. Это обусловлено следующим: во-первых, процессы формования описываются нелинейными уравнениями с подвижной границей, что требует их исключительно численного решения [1, 2]; во-вторых, решение ряда отдельных повторяющихся вычислительных задач при моделировании в форме унифицированных программных модулей обусловило их объединение в систему; в-третьих, необходимо использовать БД для структурирования данных различных видов формования, используемых элементов схем технологического процесса, свойств полимеров растворов и расплавов и других исходных данных.

Основная функция разработанной программной системы ForcesResearch - моделирование и анализ сил, воздействующих на формуемое волокно при классическом формовании волокон (КФВ) из расплава с приемным устройством [3] и аэродинамическом формовании волокон (АФВ) [4]. Отметим актуальность исследования динамики при формовании, так как при вытягивании струи расплава полимера его молекулы ориентируются и вследствие этого приобретают основные пользовательские свойства, например прочность.

139

Программные продукты и системы / Software & Systems

№ 1 (109), 2015

Приложение написано на языке Java (версия jre 1.7) в интегрированной среде разработки Intelli-Jldea 13.1 CommunityEdition [5] и является desktop-приложением. Для создания графических интерфейсов использовалась библиотека Swing [6]. При разработке архитектуры приложения реализована концепция Model-view-controller (MVC, «модель-представление-поведение»), согласно которой модель данных приложения, пользовательский интерфейс и взаимодействие с пользователем разделены на три отдельных компонента так, чтобы модификация одного из них оказывала минимальное воздействие на остальные [7].

Основные функции приложения:

- схематичное отображение технологического процесса;

- хранение в БД программы значений по умолчанию всех элементов технологического процесса и расчетной схемы;

- редактирование параметров схемы;

- сохранение проекта в файл с целью его последующей загрузки;

- моделирование по созданной модели;

- отображение результатов моделирования сил в виде графиков;

- экспорт результатов в csv-файл.

Графический интерфейс пользователя поясняет

технологическую схему процесса формования и показывает в условном виде связи между его элементами и их характеристиками. Интерфейс позволяет выбирать один из видов моделируемого процесса: классическое формование из расплава или аэродинамическое формование.

Рассмотрим диаграмму состояний приложения (рис. 1) [8]. После запуска программы пользователю предлагается либо создать новый проект, либо открыть ранее созданный. Далее возможно редактирование параметров элементов, участвующих в технологическом процессе (ТП). Набор элементов ТП определяется типом формования. После редактирования схемы возможно выполнение расчета по сконфигурированной модели. Из-за применения итеративных алгоритмов расчет будет занимать некоторое время. При этом возможно зацикливание при задании несогласованных значений параметров ТП. Чтобы во время расчета интерфейс приложения не «замирал», процедура расчета выполняется в потоке, отдельном от потока-диспетчера событий (EventDispatchThread (EDT)) [9]. EDT обслуживает взаимодействие пользователя с интерфейсом приложения.

После завершения расчета приложение строит графики сил. На этом этапе можно отредактировать внешний вид графиков: цвет кривой, коэффициент масштабирования и т.д. Пользователю доступен экспорт рассчитанных данных в файл в csv-формате для их анализа в других программных средствах. С этого этапа можно снова перейти к редактированию схемы.

На этом основной цикл работы с приложением завершается.

Приложение проектировалось в соответствии с основными принципами объектно-ориентированного программирования (ООП): инкапсуляция, наследование, полиморфизм [10]. Анализ предметной области позволил выделить из нее классы объектов. При этом классы были сгруппированы по своему назначению. Каждый объект какого-либо класса является по возможности самостоятельной единицей, внутренняя реализация которой максимально сокрыта внутри нее. Широко применялось наследование классов. Например, классы элементов схем наследовались от общего класса, а схемы процессов, солверы для разных типов формования наследовались от общего предка, перенимая общие элементы (свойства и методы) и расширяя их. Это способствовало выражению специализации и генерализации. При реализации солвера использовался принцип полиморфизма, позволяя единообразно ссылаться на объекты классов-потомков, реализующих специфику конкретного расчета.

Рассмотрим подробно диаграмму классов [11], которые условно можно разделить на две группы. Первая группа содержит классы, описывающие элементы схемы ТП (СТП) и их характеристики (рис. 2), и классы так называемого солвера, который реализует алгоритмы, используемые для моделирования сил (рис. 3). Вторая группа содержит

140

Программные продукты и системы / Software & Systems

№ 1 (109), 2015

141

Программные продукты и системы / Software & Systems

№ 1 (109), 2015

тельные элементы схемы, участвующие только в соответствующих типах формования.

Набор элементов схемы для КФВ состоит из фильеры, полимера, приемного устройства, окружающей среды; для АФВ добавляются термошахта, эжектор и приемный стол. Родительский класс, SchemeElement, содержит в себе общие для всех элементов данные и методы.

Для хранения параметров элементов схемы созданы специальные классы. Параметр класса FileraTypeAttribute содержит информацию о типе фильеры. Параметр класса DistributionAttribute содержит массив точек, который может представлять распределение температур или скорости эжектора. Параметр класса DoubleAttribute хранит вещественное значение. Параметр класса String-Attribute используется для строковых характеристик, например название полимера.

Для расчета сил необходимо выделить и такой элемент схемы, как вычислительная схема (класс CalculationScheme), где задаются необходимые граничные значения для вычислительных алгоритмов: шаг по пути формования, шаг сетки, максимальное и минимальное начальные значения градиента скорости, точность расчета.

СТП процесса выступает в качестве исходных данных для расчета. Сам расчет в отдельном потоке выполняет так называемый солвер - класс

Computer (рис. 3). Специфика расчетов КФВ и АФВ учитывается в соответствующих классах-наследниках ComputerClassicFF, ComputerAeroFF.

По окончании работы солвер выдает результат расчета в виде объекта класса CalculationResult. Специфика выходных данных для определенного вида формования учитывается в классах-наследниках ComputingResultClassicFF и ComputingRe-sultAeroFF. Результат расчета содержит набор

графиков данных, каждый из которых представлен классом Curve, содержащим информацию для построения кривой: набор точек, название для легенды, подпись на координатной плоскости и т.д. Для визуализации графиков использовалась java-библиотека XChart [12].

В результате расчетов КФВ и АФВ формируются разные наборы графиков, но некоторые величины совпадают: скорость волокна, первая производная скорости волокна, температура полимера, температура окружающей среды, реологическая сила, сумма сил, гравитационная сила, аэродинамическая сила, инерционная сила, сила поверхностного натяжения. Реализована возможность экспортирования результатов расчета в виде csv-файла.

Вторую группу образуют классы, участвующие в создании графического интерфейса пользователя и управлении СТП и расчетом (рис. 4). Класс основного окна приложения - MainForm. Здесь используются панели MyXChartPanel, Drawable-JPanel для отображения СТП и графиков. Диалоги MyProgressDialog и SelectExtrusionTypeDialog используются для организации взаимодействия с пользователем.

В приложении реализована возможность сохранения проекта в файл для его последующего прочтения и работы над ним.

На одном из главных окон приложения в условном виде показывается схема ТП в зависимости от типа формования. Например, для КФВ схема ТП состоит из фильеры, полимера, среды, вычислительной схемы. Каждый элемент схемы отображает его параметры. Например, для фильеры это тип фильеры, радиус отверстия, массовый расход полимера, начальная скорость. На рисунках 5 и 6 представлены окна приложения, где по-

Рис. 4. Диаграмма классов. Графический интерфейс и управление моделью Fig. 4. A flow-chart of classes. A graphical interface and model control

142

Программные продукты и системы / Software & Systems

№ 1 (109), 2015

казаны примеры визуализации результатов моделирования КФВ и АФВ.

Рис. 5. Окно приложения, содержащего результат моделирования КФВ

Fig. 5. An application window with a result of classical fiber spinning modeling

Рис. 6. Окно приложения, содержащего результат моделирования АФВ

Fig. 6. An application window with a result of aerodinamic fiber spinning modeling

Солвер приложения содержит программно реализованные численные методы решения системы нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ), метод сеток (конечно-разностный) для решения уравнений в частных производных в цилиндрических координатах, численное интегрирование, интерполяцию кубическими сплайнами экспериментальных зависимостей.

При численном решении уравнения движения, являющегося ОДУ второго порядка, y''(y', y, x)=0, необходимы начальные условия р(0) и у'(0). Однако из условий известны только значения y(0) и y(L). Поэтому предложен алгоритм нахождения у ' (0) по известному значению y(L). Известно, что y(x) - непрерывная, дифференцируемая, монотонно возрастающая функция на всем пути формования [0, L]. Тогда ее производная больше нуля на

всем участке формования: y'(x) > 0. Учитывая это, значение скорости в конечной точке можно рассчитывать через ряд вида y(L) ~ р(0) + y' (x)L + ...

Значение y(L) имеет конкретное значение, значит, ряд сходится. Членами ряда, идущими после второго, можно пренебречь. Их вклад в y(L) несущественен. То есть получается y(L) ~ р(0) + y' (x)L,

y (x)~ (y(L) -p(0))/L.

Величины y(0), y(L) и L нам известны.

Шаг 1. Рассчитываем y' (x) ~ (y(L) - y(0))/L.

Шаг 2. Численным методом решаем исходное ОДУ. Получаем значение конечной скорости y,(L).

Шаг 3. Сравниваем рассчитанное значение yl(L) со значением из начальных условий y(L). Анализируем возможные варианты.

1. Условие \y,(L) - y(L)\<E выполняется (E -точность вычисления, задаваемая как параметр), считаем, что y' (x) найдена. Значит, рассчитанная на шаге 2 функция и есть искомая. Конец алгоритма.

2. y,(L) >y(L), то y i+i(0) = y,(0) - а,. Переход на шаг 2.

3. y,(L) <y(L), тоy,+i(0) = y,(0) + а,. Переход на шаг 2.

а, - значение приращения, рассчитываемое на каждом шаге.

На практике количество шагов до сходимости не превышает нескольких десятков.

В связи с использованием нескольких и многократно повторяющихся численных методов возникает вопрос верификации полученного решения, для чего используется проверка решения системы ОДУ. Суть его в том, что ОДУ получается из исходного уравнения баланса сил, действующих на волокно. Решениями системы ОДУ являются v(x) - продольная скорость и T(x) волокна. Используя эти функции, вычисляются силы, входящие в уравнение баланса сил, и проверяется выполнение исходного уравнения, что свидетельствует о корректности проведенных вычислений.

Работоспособность разработанной программной системы предпроектных исследований технологических процессов формования химических волокон подтверждается результатами моделирования [3, 4], которые удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными. Проведены расчеты сил, действующих на волокно при формовании из расплава, как функций от пути формования при различных скоростях намотки. На основе расчетов определены значения параметров при разработке новых технологических процессов. В перспективе планируется модифицировать данную разработку в элемент экспертной системы.

Литература

1. Калабин А.Л., Керницкий А.В., Пакшвер Э.А. Программная система предпроектных исследований технологических процессов формования химических волокон // Программные продукты и системы. 2008. № 1. C. 34-36.

143

Программные продукты и системы / Software & Systems

№ 1 (109), 2015

2. Зябицкий А. Теоретические основы формования волокна. М.: Химия, 1979. 504 c.

3. Kalabin A.L., Udalov E.V. Dynamic characteristics of filament melt-spinning. Fibre Chemistry, 2013, vol. 44, no. 6, рр. 356-360.

4. Kalabin A.L., Udalov E.V. Modeling the Dynamics of the Aerodynamic Forming of Fibers. FibreChemistry, 2014, vol. 46, no. 1, pp. 10-15.

5. Среда разработки InelliJ IDEA. URL: https://www.jet-brains.com/idea/ (дата обращения: 10.09.2014).

6. Хорстманн К.С., Корнелл Г. Java 2. Библиотека профессионала. Т. 1. Основы; [пер. с англ.]. М.: Вильямс, 2012. 816 с.

7. Model-View-Controller. URL: https://ru.wikipedia.org/wi-

ki/Model-View-Controller (дата обращения: 10.09.2014).

8. Фаулер M. UML. Основы; [пер. с англ.]. СПб: СимволПлюс, 2004. 192 с.

9. The Java Tutorials. Concurrency in Swing. URL: http:// docs.oracle.com/javase/tutorial/uiswing/concurrency/index.html (дата обращения: 15.10.2014).

10. Sierra K., Bates B. SCJP Sun Certified Programmer for Java 6 Exam 310-065 Study Guide. McGraw-Hill Osborne Media, 2008, 851 p.

11. Сущности на диаграмме классов. URL: http://book. uml3.ru/sec_3_2 (дата обращения: 23.09.2014).

12. XChart. Basic Charts for Java Applications. URL: http://xeiam.com/xchart/ (дата обращения: 16.10.2014).

DOI: 10.15827/0236-235X.109.139-144 Received 17.11.14

A SOFTWARE SYSTEM FOR STUDYING THE DYNAMICS OF CHEMICAL FIBER SPINNING TECHNOLOGICAL PROCESSES Kalabin A.L., Dr.Sc. (Physics), Professor, kalabin@tstu.tver.ru;

Udalov E V., Postgraduate Student, evgeny.udalov@mail.ru;

Khabarov A.R., Ph.D.

Abstract. The article presents the developed software tool for studying the dynamics of chemical fiber spinning technological processes. The chemical fibers production from melts and polymer solutions is one of the most innovative industries. Its main task is fiber creation with desired properties. This objective is implemented using spinning technology.

Modeling is one of the methods for existing technologies researching and development of new ones. Modeling includes determining the quantitative relations between the conditions of production processes, the fiber structure and the obtained material properties. Modeling allows you to change technological modes and minimize experimental costs at the same time.

The proposed system is used for modeling the fiber spinning process dynamics. Two types of fibers spinning are supported: spinning from a melt and aerodynamic spinning. The program is a Java Desktop application that has an intuitive graphical interface. It can display the technological scheme of the chemical fiber spinning process, the relationships between scheme elements and their characteristics, edit the parameters of scheme elements, calculate the forces acting on the fiber, display the calculated data in a graphic way. Result file export function was implemented to explore the results in more functional systems. The application also has the ability to save a project into a file for next using.

The application implements numerical methods for solving systems of nonlinear ordinary differential equations, method of grids (finite difference method) in cylindrical coordinates given mobile boundary, the interpolation cubic splines experimental dependencies. The system proposes some algorithms for selection of boundary conditions and verification of numerical solutions. The calculation process runs in a thread which is separated from the event dispatch thread due to the fact that calculation can take a relatively long time.

The performance of a software system is confirmed by the simulation results which are in good agreement with the experimental data.

Keywords: desktop application, modeling, dynamic characteristics, chemical fiber spinning.

References

1. Kalabin A.L., Kernitskiy A.V., Pakshver E.A. Software system for scoping studies of chemical fiber spinning technological processes. Programmnyeprodukty i sistemy [Software & Systems]. 2008, no. 1, pp. 34-36 (in Russ.).

2. Zyabitsky A. Teoreticheskie osnovy formovaniya volokna [Theoretical Basics of Fibers Moulding]. Moscow, Chemistry Publ., 1979, 504 p.

3. Kalabin A.L., Udalov E.V. Dynamic characteristics of filament melt-spinning. Fibre Chemistry. 2013, vol. 44, no. 6, рр. 356-360.

4. Kalabin A.L., Udalov E.V. Modeling the Dynamics of the Aerodynamic Forming of Fibers. Fibre Chemistry. 2014, vol. 46, no. 1, pp. 10-15.

5. IntelliJIDEA IDE official web-site. Available at: https://www.jetbrains.com/idea/ (accessed September 10, 2014).

6. Horstmann C., Cornell G. Core Java 2, Volume 1-Fundamentals. 8th ed., Prentice Hall Publ., 2000, 832 p. (Russ. ed.: Moscow, Williams Publ., 2012, 816 p.).

7. Model-View-Controller. The free encyclopedia Wikipedia. Available at: https://ru.wikipedia.org/wiki/ Model-View-Controller (accessed September 10, 2014).

8. Fowler M. UML Distilled: A Brief Guide to the Standard Object Modeling Language. 3th ed. Addison-Wesley Professional Publ., 2003, 208 p. (Russ. ed.: St. Petersburg, Simvol-Plus Publ., 2004, 192 p.).

9. The Java Tutorials. Concurrency in Swing. Available at: http://docs.oracle.com/javase/tutorial/uiswing/concurrency/ index.html (accessed October 15, 2014).

10. Kathy Sierra, Bert Bates. SCJP Sun Certified Programmer for Java 6. Exam 310-065 Study Guide. McGraw-Hill Osborne Media Publ., 2008, 851 p.

11. Sushchnosti na diagramme klassov [Entities on a Class Diagram]. Available at: http://book.uml3.ru /sec_3_2 (accessed September 23, 2014).

12. XChart. Basic Charts for Java Applications. Available at: http://xeiam.com/xchart/ (accessed October 16, 2014).

144