Все выпуски

В настоящей работе сформулирована, поставлена и решена обратная граничная задача теплопроводности, при условии, что коэффициент теплопроводности является кусочно-постоянным. Эта задача занимает важное место в технике, так как теплонагруженные узлы технических конструкций покрывают теплоизолирующим слоем, термические характеристики которого сильно отличаются от термических характеристик самой конструкции. Подобные задачи находят свое применение при планировании стендовых испытаний летательных аппаратов. Современные композитные материалы решают эту проблему, предоставляя разработчикам целый ряд преимуществ. В ракетных двигателях внутреннюю стенку камеры внутреннего сгорания покрывают теплозащитным слоем, который изготавливают из композитных материалов. Благодаря свойствам этих материалов теплозащитный слой значительно снижает температуру стенки внутреннего сгорания. При решении обратной граничной задачи необходимо учитывать разницу коэффициентов теплопроводности составных частей композитных материалов, из которых изготавливают стенку камеры. Задача исследовалась с помощью ряда Фурье по собственным функциям для уравнения с разрывным коэффициентом. Доказано, что для решения обратной задачи применимо преобразование Фурье по переменной времени. Для решения обратной задачи использовано преобразование Фурье, позволяющее свести обратную задачу к операторному уравнению, которое было решено методом невязки.

In the present paper, an inverse boundary value problem of thermal conduction is formulated, posed and solved, provided that the thermal diffusivity is piecewise constant. This task holds a prominent place in technology, since thermally loaded units of technical constructions are covered with a heat insulating layer, the thermal characteristics of which are very different from the thermal characteristics of the structure itself. Such tasks are used in the planning of bench tests of aircraft. Modern composite materials solve this problem, giving developers a number of advantages. In rocket engines, the inner wall of the internal combustion chamber is covered with a heat-shielding layer, which is made of composite materials. Due to the properties of these materials, the heat-shielding layer significantly reduces the temperature of the internal combustion wall. When solving an inverse boundary problem, it is necessary to take into account the difference in the thermal conductivity coefficients of the component parts of composite materials, which make the wall of the chamber. The problem was investigated using a Fourier series in eigenfunctions for an equation with a discontinuous coefficient. It is proved that for the solution of the inverse problem the Fourier transform with respect to $t$ is applicable. To solve the inverse problem, the Fourier transform was used, which made it possible to reduce the inverse problem to the operator equation, which was solved by the discrepancy method.

Рассматриваются вопросы, связанные с решением аддитивной задачи последовательного обхода множеств с ограничениями предшествования и функциями стоимости, допускающими зависимость от списка заданий. В качестве базового метода используется широко понимаемое динамическое программирование (ДП), дополняемое в случае задач ощутимой размерности декомпозициями семейства заданий и преобразованием параметров исходной задачи. Возможные применения связаны, в частности, с задачей управления инструментом при фигурной листовой резке деталей на машинах с ЧПУ. В этой задаче важным обстоятельством является учет условий предшествования, имеющих, в частности, следующий смысл: в случае детали с отверстиями резка каждого из внутренних контуров (отвечающих отверстиям) должна предшествовать резке внешнего контура. Сам критерий качества в данной задаче, как правило, является аддитивным. Другой тип ограничений касается избежания термических деформаций деталей. При использовании подхода с применением штрафов за нарушение условий, связанных с эффективным отводом тепла при выполнении врезки, возникают функции стоимости, допускающие зависимость от списка заданий, выполненных на текущий момент времени. Заметим, что в другой прикладной задаче, а именно в задаче о демонтаже радиационно опасных объектов, возникают функции стоимости с зависимостью от списка заданий, не выполненных на данный момент (а, следовательно, касающихся недемонтированных объектов). В итоге мы приходим к очень общей задаче с ограничениями предшествования и функциями стоимости с зависимостью от списка заданий. Применяемая в случае ощутимой размерности декомпозиция с последующей реализацией ДП требует, с одной стороны, разработки методов кластеризации, а, с другой, построения адекватной конструкции распределения глобальных условий предшествования по кластерам. В теоретической части работы обсуждается случай двух кластеров, который позволяет охватить единой схемой целый ряд практически интересных задач диапазонного (в смысле размерности) типа. Указан алгоритм построения композиционного решения, включающий этап обучения кластеризации на основе жадного алгоритма. Данный «композиционный» алгоритм реализован на ПЭВМ; проведен вычислительный эксперимент.

Issues related to solving the additive problem of sequential traversal of sets with precedence restrictions and cost functions that allow dependence on the list of tasks are considered. The basic method is a broadly understood dynamic programming (DP), supplemented in the case of problems of appreciable dimension by decompositions of the family of tasks and transformation of the parameters of the original problem. Possible applications are related, in particular, to the problem of tool control in figured sheet cutting of parts on CNC machines. In this problem, an important circumstance is taking into account the precedence conditions, which have, in particular, the following meaning: in the case of a part with holes, cutting of each of the internal contours (corresponding to the holes) should precede cutting of the external contour. The quality criterion itself in this problem, as a rule, is additive. Another type of constraints concerns avoiding thermal deformations of parts. When using the approach with penalties for violating the conditions associated with effective heat dissipation during cutting, cost functions arise that allow dependence on the list of tasks completed to date. Note that in another applied problem, namely, in the problem of dismantling radiation hazardous objects, cost functions arise with dependence on the list of tasks that have not been completed at the moment (and, consequently, concern the objects that have not been dismantled). As a result, we arrive at a very general problem with precedence constraints and cost functions with dependence on the list of tasks. The decomposition applied in the case of a noticeable dimensionality with subsequent implementation of the DP requires, on the one hand, the development of clustering methods, and, on the other, the construction of an adequate structure for distributing global precedence conditions among clusters. In the theoretical part of the work, the case of two clusters is discussed, which makes it possible to cover with a single scheme a number of practically interesting problems of a range (in terms of dimensionality) type. An algorithm for constructing a composite solution is indicated, including a stage of clustering training based on a greedy algorithm. This “composite” algorithm is implemented on a PC; a computational experiment was carried out.

Математическое моделирование композиционных материалов играет важную роль в современной технике, а решение и исследование обратных граничных задач теплообмена невозможно без использования систем собственных функций задачи Штурма-Лиувилля для дифференциального уравнения с разрывными коэффициентами. Одним из важнейших свойств таких систем является их полнота в соответствующих пространствах. Это свойство систем позволяет доказать теоремы существования и единственности как для прямых задач, так и обратных граничных задач теплопроводности, а также обосновать численные методы решения таких задач. В настоящей статье доказана полнота в пространстве $L_2[r_0,r_2]$ задачи Штурма-Лиувилля для дифференциального оператора второго порядка с разрывным коэффициентом. Эта задача возникает при исследовании и решении обратной граничной задачи теплопроводности для полого шара, состоящего из двух шаров с различными коэффициентами температуропроводности. Доказана самосопряженность, инъективность, а также положительная определенность этого оператора.

Mathematical modeling of composite materials plays an important role in modern technology, and the solution and study of inverse boundary value problems of heat transfer is impossible without the use of systems of eigenfunctions of the Sturm-Liouville problem for the differential equation with discontinuous coefficients. One of the most important properties of such systems is their completeness in the corresponding spaces. This property of systems allows to prove theorems of existence and uniqueness of both direct problems and inverse boundary value problems of thermal conductivity, and also to prove numerical methods of solving such problems. In this paper, we prove the completeness of the Sturm-Liouville problem in the space $L_2[r_0,r_2]$ for a second-order differential operator with a discontinuous coefficient. This problem arises when investigating and solving the inverse boundary problem of thermal conductivity for a hollow ball consisting of two balls with different temperature conductivity coefficients. Self-conjugacy, injectivity, and positive definiteness of this operator are proved.

Рассматривается минимаксная задача маршрутизации с элементами декомпозиции. В простейшем случае предполагается, что все множество заданий разбито в сумму двух подмножеств (кластеров), причем выполнение заданий из второго подмножества может быть начато только после завершения всех заданий из первого. Для упомянутой двухкластерной задачи построен алгоритм для нахождения оптимального композиционного решения, включающего маршрут (перестановку индексов заданий) и точку старта, базирующийся на использовании широко понимаемого динамического программирования. На основе данного подхода построен также алгоритм для решения задачи маршрутизации в случае произвольного упорядоченного конечного набора кластеров; алгоритм реализован на ПЭВМ, проведен вычислительный эксперимент. Возможные применения могут быть связаны с некоторыми логистическими задачами в малой авиации, когда требуется обеспечить посещение многих пунктов одним транспортным средством (самолет, вертолет) с ограниченной дальностью беспосадочного полета.

A minimax routing problem with decomposition elements is considered. In the simplest case, it is supposed that the whole set of tasks is divided into a sum of two subsets (clusters), and execution of tasks from the second subset can be started only after the completion of all tasks from the first subset. For above-mentioned two-cluster problem, an algorithm has been constructed for finding the optimal compositional solution, including a route (permutation of task indices) and a starting point, which is based on the use of a broadly understood dynamic programming. Based on this approach, an algorithm was also constructed to solve the routing problem in the case of an arbitrary ordered finite set of clusters. The algorithm was implemented on a PC, and a computational experiment was carried out. Possible applications may be associated with some logistics tasks in small aviation, when it is necessary to ensure visits to many points by one vehicle (airplane, helicopter) with a limited non-stop flight range.

Статья посвящена решению обратной граничной задачи для стержня, состоящего из композиционных материалов. В обратной задаче требуется, используя информацию о температуре теплового потока в разделе сред, определить температуру на одном из концов стержня. В работе представлен метод проекционной регуляризации, который позволил приближенно оценить погрешность полученного решения обратной задачи. Для проверки вычислительной эффективности этого метода были проведены тестовые расчеты.

The article is devoted to solving an inverse boundary value problem for a rod consisting of composite materials. In the inverse problem, it is required, using information about the temperature of the heat flow in the media section, to determine the temperature at one of the ends of the rod. The paper presents a method of projection regularization, which made it possible to approximately estimate the error of the obtained solution to the inverse problem. To check the computational efficiency of this method, test calculations were carried out.

Приведены результаты исследования структуры быстрозатвердевших сплавов системы Sn-Bi, полученных при скорости охлаждения расплава $10^{5}$ К/с с составами Sn-X мас. % Bi (X = 13, 20, 30, 43). Исследования микроструктуры проводились с помощью растровой электронной микроскопии, зеренная структура анализировалась методом дифракции отраженных электронов. Установлено, что кристаллизация всех исследуемых сплавов протекает по химически безразделительному механизму с образованием пересыщенного твердого раствора висмута в решетке олова с составом соответствующим исходному. Наблюдения за распадом твердого раствора при комнатной температуре показывают, что для сплавов концентрация висмута в которых не превышает предельной растворимости висмута в олове (20 мас. %) распад протекает по смешанному механизму непрерывного и прерывистого распадов. В результате непрерывного распада в объеме зерна олова образуются игольчатые когерентные включения висмута. Скорость прерывистого распада увеличивается с повышением концентрации висмута в расплаве. В доэвтектических сплавах с концентрацией висмута выше предельной растворимости распад протекает по прерывистому механизму. Полный распад происходит в несколько стадий, в результате чего в фольгах формируются участки с микроструктурой различной степени дисперсности.

The results of microstructural study of rapidly solidified Sn-Bi alloys obtained at the melt cooling rate of $10^{5}$ K/s with the compositions of Sn-X wt. % Bi (X = 13, 20, 30, 43) are presented. Microstructural studies are carried out using scanning electron microscopy; a grain structure is analyzed by an electron backscatter diffraction technique. It is found out that the crystallization of all investigated alloys proceeds by a chemically partionless mechanism which results in the formation of a supersaturated solid solution of bismuth in a tin lattice with the original composition. Observations of the solid solution decomposition process at room temperature shows that decomposition proceeds by both continuous and discontinuous mechanisms in alloys with bismuth concentration not higher than the limit of solubility of bismuth in a tin (20 wt. %). Needle-like coherent bismuth inclusions are formed in the volume of a tin grain as a result of continuous decomposition. Discontinuous decomposition rate increases with the increasing concentration of bismuth in the alloy. In hipoeutectic alloys with bismuth concentration higher than the solubility limit, decomposition occurs by discontinuous mechanism. Complete decomposition proceeds by several stages and results in formation of areas with different degrees of microstructure fineness.

Предложен новый итерационный метод решения статических контактных задач двух деформируемых тел, основанный на поочередном решении задачи одностороннего контакта для первого тела и задачи линейной теории упругости с естественными граничными условиями для второго тела. Выполнение условий закона трения Кулона достигнуто за счет коррекции касательных узловых сил в зоне скольжения и задания кинематических граничных условий в зоне сцепления на контактной границе первого тела. Постепенное выравнивание контактных нагрузок на взаимодействующих поверхностях осуществляется в процессе решения задачи линейной теории упругости для второго тела. Преимущества метода продемонстрированы на решении ряда модельных примеров, включая односторонний контакт линейно-упругой пластины с твердым основанием, двухсторонний контакт вдавливания деформируемого блока в основание, задачу Герца о контакте двух деформируемых цилиндров и др. Разработанный метод применим для решения контактных задач с плоскими и криволинейными границами взаимодействия.

A new iterative method for solving static contact problems of two deformable bodies is proposed. The method is based on alternately solving the unilateral contact problem for the first body and the linear elasticity problem with natural boundary conditions for the second body. Fulfillment of Coulomb's friction law involves correction of tangential nodal forces in the sliding area and setting kinematic boundary conditions in the sticking area for the contact boundary of the first body. The goal of solving the linear elasticity problem for the second body is to gradually equalize contact loads on the interacting surfaces. The advantages of the method are demonstrated by solving a number of model examples, including unilateral contact of a linear-elastic plate with a solid foundation, bilateral contact of pressing a deformable block into the foundation, the Hertz problem of contact of two deformable cylinders etc. The method can solve problems on flat and curvilinear contact boundaries.

Проведен сравнительный анализ пространственных распределений молодых (< 50 млн. лет) рассеянных звездных скоплений и цефеид поля разной металличности. Оба типа объектов продемонстрировали существенные неоднородности распределений металличности, что свидетельствует о слабом перемешивании межзвездного вещества на момент их образования. Причем существенное различие этих распределений у рассеянных скоплений и звезд поля заставляет предположить различие условий, требующихся для образования этих типов объектов.

We have fulfilled the comparative analysis of spatial distributions of young (< 50 million years) open star clusters and field Cepheids of different metallicity. Both types of objects demonstrated significant heterogeneity of metallicity distributions, indicating weak mixing of interstellar matter at the time of their formation. Moreover, a significant difference of these distributions in open clusters and field stars suggested the difference of conditions required for the formation of these types of objects.

В работе представлена постановка задачи случайной упаковки твёрдых частиц в пространстве в виде минимизации целевой функции, являющейся мерой пересечений подобластей (представляющих частицы и запрещённые области) в R³; при этом желаемые особенности упаковки учитываются дополнительным слагаемым в целевой функции. Предложен новый алгоритм упаковки на основе метода случайного поиска, в котором оценка новой конфигурации частиц производится после каждого перемещения, а сами частицы увеличивают свой размер от начального до заданного по мере устранения пересечений между ними. Данный алгоритм сопоставлен с алгоритмом вязкой суспензии для случая упаковки равновеликих сфер в периодическом кубе; при плотности упаковки φ < 0,55 алгоритм случайного поиска формирует упаковки с меньшим количеством и размером кластеров частиц, в более плотных упаковках различия незначительны. Также показан пример формирования упаковки с особенностью в виде смещения частиц вплотную к твёрдой границе.

The paper presents a problem statement for random hard particles packing as minimization of an objective function that is the measure of overlapping of R³ subdomains representing particles and forbidden zones, with desired pack characteristics being accounted for by an additional summand in the objective function. A new algorithm based on the random search approach is proposed; it assesses a new particles configuration after each movement, and particles grow from an initial to full size as overlaps being removed. This algorithm is matched with the viscous suspension algorithm for the case of packing equal-sized spheres in a periodic cube. For packing fractions φ < 0,55 the random search algorithm yields packs with fewer and smaller particle clusters than the viscous suspension one, in denser packs differences are insignificant. An example of creating a pack with the feature that particles are shifted closely to the solid boundary is shown as well.

На основе авторского компилятивного каталога фундаментальных астрофизических параметров для 593 рассеянных скоплений исследованы связи между химическим составом, пространственным положением, элементами галактических орбит и возрастом. Найдено резкое различие химических и кинематических свойств скоплений и звезд поля в тонком диске Галактики. Продемонстрирована неоднородность населения рассеянных скоплений, свидетельствующая о разнообразии причин их образования, в том числе и под воздействием внегалактических объектов.

Based on our compiled catalogue of fundamental astrophysical parameters for 593 open clusters, we analyze the relations between the chemical composition, spatial positions, Galactic orbital elements, and age of open star clusters. Distinctions of the chemical and kinematical properties of the open clusters and field thin-disk stars are shown. We provide evidence for the heterogeneity of the population of open star clusters, which demonstrates the diversity of reasons of their birth, including under the influence of extragalactic objects.