В настоящее время на кафедре МАХП возникла потребность в разработке современной информационной системы для компьютерной обработки экспериментальных исследований. На кафедре имеется множество лабораторных установок для проведения опытов по различным дисциплинам. По лабораторным работам имеются методики проведения исследования, чертежи и 3D модели приборов, образцы для испытаний и т.д. Необходимо объединить всю накопленную информацию в единую систему.

Сформулируем требования к разрабатываемой системе:

• Масштабируемость – возможность подключения к системе неограниченное количество пользователей это осуществляется за счет архитектуры “клиент” – “сервер”.
• Универсальность – при необходимости можно вводить данные с экрана, а можно с помощью специальных датчиков, прикрепленных к установке и контролирующих съем изменений параметров в компьютер.
• Сбор и накопление информации – информация о накопленных результатах должна храниться на сервере для того чтобы ее потом можно было использовать либо исправить.
• Интерактивность – пользователь может посмотреть, разобрать установку (3D - модель), это осуществляется при помощи языка VRML.
• Интеграция с другими системами – система должна легко интегрироваться с другими системами.

Этим требованиям удовлетворяет система Web Server + PHP + SQL Server и браузер.

1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

В качестве объекта, для которого будет выполняться разработка расчетной программной среды выбрана лабораторные работы №1 «Определение плотностных и структурных характеристик дискретных материалов» лабораторная работа №2 «Сдвиговые испытания сыпучих материалов при давлениях до 0,1МПа» из курса Механика дискретных материалов.

Приведем основную информацию по конструкции, принципу работы установок и порядку проведения лабораторных работ.

1.1 Теоретические положения к лабораторной работе №1

Плотностными характеристиками дискретных материалов являются: истинная, объемная, насыпная плотность материала и пористость.

Истинной плотностью материала называется отношение твердой фазы сухого материала к занимаемому объему.

Объемная плотность дискретного материала численно равна массе его отдельностей (частиц, кусков, брикетов и т.д. ), деленной на величину объема, занимаемого этими отдельностями. Эта характеристика предполагает наличие в объеме отдельности твердой, жидкой и газообразной фазы.

Насыпная плотность дискретного материала численно равна массе единицы объема материала в условиях свободной засыпки. Величина насыпной плотности зависит от истинной плотности, объемной плотности материала, гранулометрического состава, влажности.

Из трех плотностных характеристик дискретного материала наибольшее по абсолютной величине значение имеет истинная плотность, а наименьшее - насыпная.

Пористость отдельности (куска, частицы, брикетами) и пористость слоя дискретного материала характеризуются отношением объема всех пор к объему образца или к объему слоя. 

К структурным характеристикам относят гранулометрический состав дискретных материалов, форму частиц и углы естественного откоса. 

Студентам следует помнить, что гранулометрическим (ситовым) составом называют процентное содержание групп частиц (фракций) различной крупности в общей массе сухого дискретного материала.

Крупность частиц определяется их линейными размерами. При измерении частицы неправильной формы по трем взаимно перпендикулярным направлениям в общем случае можно получить три различных линейных размера - длину, ширину и высоту. Длина является наибольшим размером, который характеризует крупность и определяет многие параметры перерабатывающих, транспортирующих и. аккумулирующих устройств для дискретных материалов.

Гранулометрический состав определяется просеиванием материала через ряд сит с отверстиями разной величины. Класс фракций определяется размером отверстий в смежных ситах.

Результаты гранулометрического анализа можно изобразить графически ,для чего по оси абсцисс в масштабе откладывают размеры, фракций, a по оси ординат - процентное содержание частиц, прошедшее черед сито с данным размером отверстий. Величина ординаты для каждого размера частиц получается суммированием с данными для предыдущих размеров. Полученный график называется графиком однородности или интегральной кумулятивной кривой крупности.

Для характеристики степени неоднородности материала вводят понятия эффективного и контролирующего диаметров, соответсвующих 10 и 60 процентам содержания более мелких классов, и коэффициента неоднородности, представляющим отношение этих размеров.

Угол естественного откоса дискретного материала представляет собой угол между боковой поверхностью насыпанного материала и горизонтальной плоскостью. Его величина зависит от вида материала, гранулометрического состава, влажности и других факторов. Известны два метода формирования угла естественного откоса: путем насыпания (при котором откос образуется падающими или скользящими сверху частицами) и путем обрушения (при котором откос образуется в толще материала в результате его сдвижения), Для большинства насыпных грузов угол естественного откоса, образующийся путем сдвижения, больше угла при насыпании и только для идеально сыпучего материала эти углы равны.

Для одновременного определения указанных углов естественного откоса применяют прибор, выполненный в виде прозрачного ящика с шиберным устройством в днище (рис. 1).

Рисунок 1– Прибор для определения угла естественного откоса сыпучего материала

Дискретный материал засыпают в ящик до образования слоя 50-100 мм. Затем медленно открывают шибер в днище, и материал высыпается через образовавшуюся щель. Оставшийся в ящике и просыпавшийся материал располагаются под разными углами естественного откоса.

1.2 Теоретические положения к лабораторной работе №2

В основе проявления большинства физико-механических характеристик дисперсных материалов лежит зависимость от давления. Особую роль играют так называемые прочностные характеристики, которые отражают способность материала сохранять свою форму под воздействием внешних давлений. Подробно см. методические указания и конспект лекций.

По результатам единичного испытания при фиксированном значении нормальных напряжений получают ряд точек, характеризующих связь между касательными напряжениями и величиной деформации. Полученные значения нормальных и касательных напряжений откладывают в системе координат и строят линию предельного равновесия, представляющую собой огибающую кругов Мора.

1.3 Устройство и принцип работы лабораторной установки к лабораторной работе №2

Прибор для сдвиговых испытаний состоит из станины 1, из которой неподвижно закреплены опорная шайба 2 с нижней полуматрицей 3, стойка индикатора 4, винтовое устройство 5 и стойки 9, на которых крепится нижняя плита 11. На нижней плите 11 шарнирно закреплена верхняя плита 12, к которой при помощи стальных нитей 17 подвешена верхняя полуматрица 6. Между нижней и верхней плитой установлен динамометр сжатия 15 для фиксирования потери осевой составляющей от трения сыпучего материала о стенки верхней полуматрицы.

Положение верхней полуматрицы относительно нижней регулируется при помощи винтов 10 и 16.

Рисунок 2 – Прибор для сдвиговых испытаний

Нормальная сжимающая нагрузка на исследуемый материал создается при помощи поршня 7, входящего внутрь верхней полуматрицы, и грузов 8. Сдвигающая нагрузка создается при помощи винтового устройства 5 и фиксируется динамометром растяжения 13 типа ДПУ-0,1-2. Перемещение верхней полуматрицы при сдвиге измеряется индикатором часового типа 14. Конструкция прибора позволяет устанавливать в нижнюю полуматрицу образцы из различных материалов, что необходимо для определения коэффициента внешнего трения.

1.3 Порядок выполнения работы №2

При проведении исследований подготовленную навеску сыпучего материала загружают во внутреннюю полость полуматриц 5,6 и разравнивают. При этом следят за соосностью установки полуматриц и величиной зазора между ними. Начальное показание динамометра 15 принимают за нулевую точку отсчета. В верхнюю полуматрицу 6 устанавливают поршень 7 и необходимый груз 8 и начинают испытания, фиксируя сдвигающее усилие и перемещение. Испытания завершают, когда перемещение верхней полуматрицы составит более 5 мм.

При определении коэффициентов внешнего трения в полость нижней полуматрицы вставляют образец материала, в остальном методика исследований аналогична.

2 ВЫБОР ПРОГРАМНЫХ СРЕДСТВ И ОБОСНОВАНИЕ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ РАСЧЕТА

Для разработки программы обработки лабораторных данных выбрана архитектура “клиент”- “сервер”. Язык HTML – на котором написан интерфейс программы обработки, язык РНР – который служит непосредственно для обработки лабораторных данных - расчет исходных данных и получение результатов расчета, СУБД MySQL – базы данных, для хранения результатов расчетов и исходных данных, обеспечивает аккумулирование информации о каждой обработке накопленного результата и возможность потом вернуться и что либо исправить или же использовать.

3 ЭКРАННЫЕ ФОРМЫ ВХОДНОЙ И ВЫХОДНОЙ ИНФОРМАЦИИ

Интерфейс программы для определения плотностных и структурных характеристик дискретных материалов:

Вводимые данные и получаемые результаты по расчету плотностных и структурных характеристик дискретных материалов

Интерфейс программы для определения коэффициентов внутреннего и внешнего трения сыпучих материалов:

Вводимые данные и получаемые результаты по расчету коэффициентов внутреннего и внешнего трения сыпучих материалов

4 ВЫВОДЫ И НАПРАВЛЕНИЯ ДАЛЬНЕЙШЕЙ РАБОТЫ

В соответствии с поставленной задачей в научно исследовательской работы выбран объект системы – лабораторная работа №1 «Определение плотностных и структурных характеристик дискретных материалов» и лабораторная работа №2 «Сдвиговые испытания сыпучих материалов при давлениях до 0,1 МПа» из курса Механика дискретных материалов. Были сформулированы требования к разрабатываемой системе – масштабируемость, универсальность, сбор и накопление информации, интерактивность, интеграция с другими системами. Выбран набор средств для реализации проекта – HTML+PHP+SQL+браузер. Выполнен интерфейс системы, выполненный в виде экранных форм, представленных в разделе 3.

Язык HTML весьма перспективный язык, который раскрывает массу возможностей, способный подгружать в себе различные файлы. Сейчас развивается язык VRML, который способен подгружать 3D графику в браузер. В дальнейшей разработке проекта можно будет применить VRML, в котором будет подгружаться 3D приложение рабочей лабораторной установки. В главном окне, в правом фрейме (разработано для графики – изображение лабораторной установки) как перспектива возможность просмотра лабораторной установки в режиме 2D (растровая графика, плоское изображение) и 3D (объемная графика, с возможностью посмотреть, вращать, приблизить/отдалить установку непосредственно в своем браузере)