Отзыв_на_дисс_Лопаницын (Разработка методики расчета и проектирования актюаторов дискретного действия)

отзывофициального оппонента на диссертациюНиколаевой Анны Сергеевны«Разработка методики расчета и проектирования актюаторов дискретного действия»,представленную на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности0 1 . 0 2 . 0 6 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры.1. Актуальность избранной темыДиссертация А.С.Николаевой посвящена созданию методики проектирования исполни­тельных элементов микроэлектромеханических устройств в виде тонкостенных упругих би­металлических актюаторов дискретного действия. Её актуальность очевидна.

Она обуслов­лена широким применением рассмотренных актюаторов и перспективами их применения вмикроэлектромеханических системах различного назначения, а также назревшей потребно­стью перехода от непосредственного расчёта термобиметаллических актюаторов к решениюзадач их оптимального проектирования.2. Научная новизнаНаучная новизна диссертационной работы заключается в создании методики синтезарассматриваемых актюаторов, позволяющая совершенствовать существующие актюаторы исоздавать новые их конструкции. С помощью разработанной методики диссертантом полу­чена конструкция актюатора, превосходящая существующие аналоги по эксплуатационнымхарактеристикам. Созданная конструкция защищена патентом на полезную модель.3.

Практическая значимостьПрактическая значимость работы заключается непосредственно в разработанной методикепроектирования и расчета актюаторов, а также во внедрении результатов работы в практикупроектирования микроэлектромеханических устройств в ООО «Сенсорные системы МГТУ им.Н.Э. Баумана». Следует также отметить разработку пакета прикладных программ для расчета ипроектирования актюаторов, который защищен свидетельством госрегистрации Федеральнойслужбы по интеллектуальной собственности.

Кроме этого, не следует забывать о новой конст­рукция актюатора, которая разработана автором диссертации и которая защищена патентом наполезную модель.4. Структура и содержание работыДиссертационная работа А.С.Николаевой состоит из введения, пяти глав, заключения исписка литературы.

Работа включает 154 страницы машинописного текста, 15 таблиц и 9 6 ри­сунков. Список цитированной литературы содержит 162 наименования.Во введении описаны цели и задачи диссертации, показана актуальность её темы, научнаяновизна и практическая значимость.В первой главе дан обзор научно-технической литературы по теме диссертации. Вместе свьшодами по этой главе он состоит их четырёх частей. В них описаны принципы действия тер­мобиметаллических актюаторов, способы их применения в различных микроэлектромеханиче­ских системах и методики их расчёта.

В части, относящейся непосредственно к расчёту тонко­стенных биметаллических актюаторов, рассмотрено 4 7 публикаций. Это - исследования, посвя­щенные теории тонких упругих оболочек конечного прогиба, методам дискретизации получае1мых на их основе математических моделей оболочек и способам решения систем нелинейныхалгебраических уравнений в виде четьфёх вариантов метода продолжения решения.Во второй главе представлены два подхода к решению задачи статического деформиро­вания тонких биметаллических нагретых оболочек конечного прогиба. Первый подход при­меняется для осесимметрично деформирующихся актюаторов и основан на численном реше­нии краевой задачи для непологой биметаллической оболочки вращения.

Уравнения равно­весия и деформационные соотношения построены на основе уравнений Рейсснера с приме­нением гипотезы Кирхгоффа-Лява для пакета из двух слоев. В качестве метода решениякраевой задачи используется один из вариантов метода стрельбы с сегментацией отрезка по­иска решения. Второй подход применяется для актюаторов в виде пологой оболочки слож­ной формы в плане и основан на использовании метода конечных элементов в форме методаперемещений. Приведена конечно-элементная формулировка задачи с использованием плос­кого четырёхугольного в плане элемента с 5-ю степенями свободы в каждом узле, построен­ная на основе теории пластин Фёппля-Кармана.В третьей главе изложены методы расчёта деформированного состояния актюаторов,возникающего при их функционировании, и методы оптимизации их параметров.

К ним вдиссертации отнесены модифицированный метод Ньютона-Рафсона, метод дискретногопродолжения по параметру, приём смены параметра продолжения, метод дифференциальнойэволюции, метод штрафных функций и метод кригинга.Модифицированный метод Ньютона-Рафсона применяется в рамках метода дискретногопродолжения по параметру решения в виде подхода Н.В.Валишвили. Он используется длярешения системы нелинейных алгебраических уравнений, получающихся из граничных ус­ловий краевой задачи деформирования осесимметричного актюатора в результате её числен­ного решения.

Для нахождения начального приближения метода Ньютона-Рафсона на каж­дом шаге по параметру продолжения используется линейная и квадратичная экстраполяцияранее полученного решения. Здесь же для сферического актюатора используется приём сме­ны параметра продолжения, в качестве которого используются внешняя нагрузка, приложен­ная к актюатору, его характерный прогиб, радиус кривизны и радиус центрального отвер­стия.

Эта композиция методов используется автором диссертации для формирования актюа­тора с заданной рабочей характеристикой. Для этого ею по алгоритму, основанному на опи­санных методах, написаны две программы «Актюатор 1.0» и «Актюатор 2.0», которые вдальнейшем были использованы для синтеза сферических актюаторов и гофрированныхмембран.Остальные методы этой главы применены для оптимизации параметров оболочечныхактюаторов сложной формы в плане и для гофрированных мембран. В первом случае длярасчёта напряжённо-деформированного состояния актюатора использовался программныйкомплекс Апзуз, реализующий метод конечных элементов.

В случае гофрированных мем­бран использовался и конечно-элементный программный комплекс Апзуз, и описанный вы­ше подход для осесимметричного актюатора, основанный на применении уравнений типаРейсснера и реализованный в виде авторской программы «Актюатор 1.0».В качестве метода оптимизации автором диссертации применён метод дифференциаль­ной эволюции в паре с классическим методом штрафных функций Куранта.

Этот метод мо­делирует процессы скрещивания, мутации и селекции конечного числа объектов живой при­роды. В отличие от классических методов оптимизации он более трудоёмок, поскольку из-за2необходимости формирования популяции рассматриваемых объектов и операций с нимитребует большего количества вычислений целевой функции.

Однако, как утверждается вдиссертации, имеет хорошую сходимость и позволяет находить глобальный экстремум целе­вой функции.Для экономии времени, потребной методу дифференциальной эволюции для оптимиза­ции параметров актюатора, в диссертации используется экстраполяция целевой функции.Она реализована в виде метода кригинга, основанного на вероятностном подходе с примене­нием метода наибольшего правдоподобия к вопросу о прогнозировании значения целевойфункции при относительно слабом изменении её аргументов.Кроме этого, в третьей главы приведён алгоритм решения задачи о конечных прогибах поддействием статической нагрузки тонкостенных конструкций в программном комплексе Апзуз идано краткое описание программного комплекса р8еуеп, реализующего многокритериальныйподход к задаче подбора параметров оптимизируемого объекта.Судя по тексту диссертации, её автор принимала участие в разработке программногокомплекса, реализующего процесс оптимизации, а программный комплекс рЗеуеп применял­ся ею в пользовательском режиме.

Самостоятельно ею были написаны программы, которыепозволяют программам оптимизации объекта совместно работать с программой «Актюатор1.0» и с конечно-элементным программным комплексом Апзуз.В четвёртой главе решена серия задач для сферического актюатора и гофрированноймембраны. Эти задачи, по большей части, носят тестовый характер.На примере стальной пологой сферической оболочки, нагруженной равномерным попе­речным давлением, для которой есть экспериментальные данные, проверена правильностьработы авторской программы «Актюатор 1.0». Аналогичный расчёт выполнен для гофриро­ванной мембраны с синусоидальным гофром.

Полученное решение сравнено с известнымрешением В.И.Феодосьева 1945 года.Выполнена проверка правильности работы программы «Актюатор 2.0». Для этого быларешена задача о подборе радиуса кривизны нагретого сферического биметаллического ак­тюатора для получения его заданной рабочей характеристики.Для биметаллического сферического актюатора с центральным отверстием, который на­гружен равномерным поперечным давление по кольцу, примыкающему к внешнему контуру,при условии получения заданной рабочей характеристики решена задача о минимизации егоплощади.

На этой задаче в диссертации была проведена проверка правильности работы двухсвязок программ, первая из которых состоит из программы оптимизации рассматриваемогообъекта и программы «Актюатор 1.0», а вторая - из программы оптимизации и конечноэлементного программного комплекса Апзуз. Помимо этого вторая связка программ протес­тирована на решении аналогичной задачи для гофрированной мембраны.Достоверность получаемых результатов оптимизации связкой программ р8еуеп и «Ак­тюатор 1.0» показана посредством решения задачи о подборе толщины и радиуса кривизнысферического актюатора, нагруженного равномерным поперечным давлением, при условииполучения заданных верхнего критического давления и величины прогиба прощёлкивания вего центре.Кроме этого, в четвёртой главе выполнено численное исследование влияния радиусакривизны, радиуса опорного контура, толщины и диаметра центрального отверстия сфериче­ского биметаллического нагретого актюатора на его рабочую характеристику.