Моделирование процессов и объектов в металлургии

È.Î. Ëåóøèí

ÌÎÄÅËÈÐÎÂÀÍÈÅ
ÏÐÎÖÅÑÑÎÂ È ÎÁÚÅÊÒÎÂ
 ÌÅÒÀËËÓÐÃÈÈ

Äîïóùåíî Ó÷åáíî-ìåòîäè÷åñêèì îáúåäèíåíèåì
ïî îáðàçîâàíèþ â îáëàñòè ìåòàëëóðãèè
ïðè Ìèíèñòåðñòâå îáðàçîâàíèÿ è íàóêè ÐÔ
â êà÷åñòâå ó÷åáíèêà äëÿ ñòóäåíòîâ âóçîâ,
îáó÷àþùèõñÿ ïî íàïðàâëåíèþ
22.03.02 «Металлургия»

2017
2019

22.03.02 «Металлургия»Леушин И.О.
Л33 
 
Моделирование процессов и объектов в металлургии : учебник / 
И.О. Леушин. — М. : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2019. — 207 с. — (Высшее 
образование: Бакалавриат).

Введение

Металлургия попрежнему остается областью науки и техники, в
которой имеется множество «белых пятен» и объектов, вызывающих
повышенный интерес инженеров и исследователей. Основным инструментарием в их работе выступает моделирование, и это не дань
моде, а настоятельное требование времени. По выражению одного из
известных специалистов по моделированию, нет лучшего способа познать объект, чем построить его модель. Моделирование по своей
сути является настолько рациональным и универсальным методом
исследования, что позволяет решать широчайший спектр задач применительно к разнообразным объектам через упрощение представления о них.
При этом моделирование неправомерно характеризовать как рутинную формализованную процедуру, лишенную творческого начала.
В какойто мере моделирование — это искусство, овладеть которым
весьма непросто.
Поэтому вполне понятно, что изучение моделирования как одной
из основных учебных дисциплин находится в центре образовательных
программ подготовки всех современных технических специалистов,
металлургов в частности. Материал этой дисциплины базируется на
фундаменте тех знаний, навыков, умений и компетенций, которые
студенты получили ранее при изучении предметов естественнонаучного и общепрофессионального циклов, и выступает в роли мостика
к области их будущей профессиональной деятельности. По крайней
мере, именно этой целью руководствовался автор, когда готовил данный учебник к опубликованию.
Книга может представлять интерес не только для студентов, но и
для аспирантов, исследователей и инженернотехнических работников, занимающихся проблемами металлургии, заготовительных производств машиностроения, а также всех, кто хотел бы применить
мощный потенциал моделирования для решения прикладных задач.

Тема № 1
СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД И ИНЖЕНЕРНЫЕ
ЗАДАЧИ

В своей деятельности современному инженеру приходится иметь
дело с объектами различной природы и назначения. Их многообразие
настолько велико, а взаимодействие настолько сложно и разнопланово, что на первый план выходит проблема даже не изучения этих объектов, а их систематизации, поиска и применения универсального,
общего подхода к их описанию и пониманию.
Если еще недавно инженер буквально гонялся за фактами, которые могли бы быть ему полезными при решении практических задач,
то сейчас он часто не в силах справиться с их половодьем — огромным информационным потоком. В этой ситуации аналитические методы исследования, эффективные при изучении отдельных объектов,
уже не работают так хорошо, как этого требует современный уровень
развития техники и производства.
В качестве действенного и современного подхода к изучению
объектов теория систем предлагает принцип системного движения, или
системный подход. Его сущность сводится к тому, что любой объект
или их совокупность рассматриваются как система — множество неделимых элементов, находящихся в некоторых отношениях и связях
друг с другом, образуя при этом целостность, единство. Относительной автономностью в составе систем обладают подсистемы.
Учитывая, что существует и уже подтвердила свою целесообразность классификация систем на материальные и абстрактные, искусственные и естественные, описательные и символические и т. д., появляется реальная возможность использовать имеющийся аппарат
теории систем для изучения различных объектов.
Для этого необходимо соблюдать требования системности, иерархичности, интегральности/дифференциальности и формализации в
рассмотрении и описании объектов:

• системность — целостное предоставление об объекте, имеющем как внутреннее единство, так и связи с окружающей
средой;
• иерархичность — представление о структуре объекта как о многоуровневой и блочномодульной;
• интегральность/дифференциальность — представление о равнозначности использования методов анализа и синтеза при работе
с объектом;
• формализация — возможность упрощенного, формального представления об объекте, замены оригинала объекта его моделью
для описания объекта в терминах соответствующих отраслей
науки.
В итоге, объект рассматривается как единство структуры и ее параметров. При этом сложность объекта оценивается по двум ее компонентам:
• структурной сложности — количеству уровней иерархии системы и связей ее подсистем и элементов между собой;
• параметрической сложности — количеству параметров структуры, их виду (независимые или зависимые; управляемые или неуправляемые и т. д.) и форме взаимосвязей (линейные или нелинейные; детерминированные или стохастические и т. д.).
Для металлургического производства в качестве объектов можно
выделить материалы, технологические оснастку и оборудование, продукцию (отливки, поковки и т. п.), технологические процессы, операции и переходы, производственные подразделения (участки, цеха, заводы и т. п.). В основном это технические и организационнотехнические объекты. Каждому из них в рамках системного подхода можно
дать структурнофункциональную характеристику, т. е. четко и однозначно описать структуру, перечислить ее параметры, сформулировать целевую функцию, обозначить границы области применения,
оценить необходимые ресурсы и альтернативы.
Это позволит снизить трудоемкость и временные затраты на решение так называемых касающихся данных объектов инженерных задач.
Подобные задачи, как правило, ориентированы на проблемы действующего производства и имеют прикладной характер. Их специфика
обусловлена относительно узкими интервалами изменений параметров объекта, малыми возможностями корректировки структуры, недостатком информации о природе явлений, необходимостью выбора
наилучшего варианта на каждом этапе решения. Относительные доли
творческой и рутинной составляющих в решении таких задач могут

Тема № 1. Системный подход и инженерные задачи
5

меняться от 0 до 100 %. Довольно часто на первый план здесь выходят
умения инженера быстро и точно уловить суть проблемы, грамотно
сформулировать постановку задачи и построить алгоритм ее решения
не «с чистого листа», а «по аналогии» с подобными, привлекая дополнительные источники информации. Уже по ходу решения этих задач
становится реальным сделать прогноз ожидаемого эффекта.
Традиционно инженерные задачи классифицируют по видам инженерной деятельности: технологические, конструкторские, исследовательские и управленческие; по целевому назначению: задачи исследования, проектирования, прогнозирования и оптимизации (рис. 1.1).
Многоаспектность и многопрофильность современной инженерной
деятельности, а также весьма широкий спектр возможных целей решения инженерных задач делают данную классификацию условной.
Тем не менее она имеет практическую значимость, так как каждая из
выделяемых групп инженерных задач характеризуется своей спецификой и особенностями решения.

Технологические задачи связаны с проблемами разработки и реализации в условиях конкретного производства различных технологий.
При этом технология рассматривается как некоторый алгоритм действий, последовательность этапов, операций, переделов и переходов,
характеризующихся индивидуальным содержанием и выполняемых с

6
Тема № 1. Системный подход и инженерные задачи

Рис. 1.1. Классификация инженерных задач

использованием конкретных оборудования, оснастки и необходимых
ресурсов. Результат решения таких задач обычно оформляется в виде
комплекта технологической документации, технологических карт,
инструкций, руководящих материалов, позволяющих получить ответы на вопросы о структуре технологической цепочки и параметрах
технологического режима; реже — в виде управляющих программ для
автоматических модулей технологического назначения.
Конструкторские задачи связаны с проблемами поиска рациональных геометрических форм, структуры, материала и режимов эксплуатации изделий, оснастки, оборудования, реже — объемнопланировочных решений при выполнении работ по проектированию новых
или реконструкции действующих производственных подразделений.
Результат решения таких задач обычно оформляется в виде комплекта конструкторской документации, рабочих и сборочных чертежей,
спецификаций, схем, планировок, эскизов, 2Dи 3Dвизуализаций,
компьютерных программ для изготовления деталей изделий, оснастки, оборудования на станках с ЧПУ.
Исследовательские задачи связаны главным образом с «узкими
местами» производства, изучением причинноследственных связей
явлений, имеющих место в производственных процессах, проведением технологического контроля материалов, изделий оснастки и оборудования; выявлением производственного брака, его профилактикой и устранением; реже — разработкой новых исследовательских методик и их освоением. Результаты решения таких задач обычно
оформляются в виде заключений, актов, предложений, рекомендаций
и технических отчетов, позволяющих не допускать, снижать или ликвидировать имеющиеся либо обнаруженные технические недостатки
действующего или проектируемого производства.
Управленческие задачи (задачи менеджмента) связаны с проблемами организации производства и управления его подразделениями,
согласованием режимов их работы, планированием ремонтов оборудования и оснастки, распределением ресурсов, рационализацией грузопотоков, сопровождением и обеспечением производственных процессов. Результаты их решения — планы, графики, заявки, маршрутные листы, приказы, распоряжения.
Задачи исследования ориентированы на изучение природы явлений, происходящих внутри объекта, а также связывающих его с окружающей средой; выявление существенных характеристик и свойств
объекта, форм и связей между ними, возможностей влияния на них
извне и управления ими.

Тема № 1. Системный подход и инженерные задачи
7

Задачи проектирования нацелены на создание новых или совершенствование имеющихся объектов на основе их структурнофункциональных характеристик и оценки недостатков и противоречий
аналогов и прототипов.
Задачи прогнозирования имеют целью получить ответ на вопрос о
том, что произойдет с объектом, его структурой и параметрами при
изменении условий его существования (приложение дополнительных
внешних воздействий, смена их характера, исключение из структуры
объекта одной или нескольких составляющих, переход на альтернативные виды материалов и ресурсов и т. п.).
Задачи оптимизации ориентированы на улучшение характеристик
и свойств объекта, а также поиск наилучшего варианта решения из
множества всех возможных в отношении данного объекта.
Следствием системного подхода к изучению объектов является
возможность применения к решению инженерных задач общего метода моделирования. Моделирование — это универсальный метод изучения объектов, основанный на упрощении представлений о них.
Именно упрощение составляет ядро, сущность и главную идею моделирования, позволяя делать процесс изучения объектов, даже самых
сложных, менее трудоемким и затратным. Так, в соответствии с общепризнанной концепцией «жизненного цикла» теория систем описывает существование любого объекта непрерывной замкнутой цепочкойпетлей: «проектирование — реализация — эксплуатация —
моральное и физическое старение — переработка или утилизация —
обновление». На каждом этапе (звене) этой цепочки удобно рассматривать объект с определенной стороны, в определенном аспекте, принимая во внимание не все, а лишь некоторые, наиболее существенные, его качества и свойства, т. е. упрощая его.
В инженерной практике чаще всего используют две формы упрощения объектов, основанные на принципах разукрупнения и идеализации.
Разукрупнение, или детализация, заключается в реальном или абстрактном разделении объекта как системы на обладающие относительной автономией части — подсистемы с последующим изучением каждой из частей по отдельности и обобщением, «склеиванием», результатов.
Идеализация — замена реального объекта другим, идеализированным, обладающим только теми чертами и свойствами, которые важны для решения данной инженерной задачи и удобны для количественной и качественной оценки.

8
Тема № 1. Системный подход и инженерные задачи

Примерами применения на практике принципа разукрупнения
могут служить: поузловой метод проектирования машин; исследование технологического процесса с выделением отдельных операций;
методика послойного конструирования в среде графических пакетов
типа AutoCAD.
В качестве примеров применения на практике принципа идеализации можно привести: введение целого ряда допущений при построении и использовании расчетных схем, проектных и проверочных методик; замену сложных геометрических форм стандартными
техническими при конструировании изделий и оснастки; усреднение
количественных значений свойств материалов по всему объему изделий.
Особая роль моделирования в инженерной практике проявляется в
создании благоприятных предпосылок к решению большинства инженерных задач; реализации системного подхода к изучению объектов; обеспечении возможностей для применения к изучению объектов других методов исследования, таких как аксиоматический, исторический, анализасинтеза; в формировании четкого алгоритма
решения не одной, а целого класса задач.

Тема № 1. Системный подход и инженерные задачи
9

Тема № 2
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ
МОДЕЛИРОВАНИЯ

Теория моделирования, являясь частью теории систем, представляет собой науку, в рамках которой реализуется и развивается системный подход к изучению объектов, особенно — требование формализации в их рассмотрении и описании.
Эта теория квалифицирует моделирование прежде всего как процесс, включающий последовательность действий:
1) замену объектаоригинала объектоммоделью, более простым
и удобным для работы, на основе их соответствия (шаг 1);
2) решение задачи на модели одним из известных и реализуемых
в данных условиях методов (шаг 2);
3) перенос полученных результатов решения с модели на оригинал (шаг 3).
Данный процесс имеет цель — снизить трудоемкость решения
инженерных задач без потерь значимости и достоверности получаемых результатов.
Из обобщенной схемы (рис. 2.1) ясно, что основой моделирования выступает принцип упрощения: количество характеристик или
структурных компонентов объекта (xi) в модели (N ) всегда меньше
общего их числа (n), стремящегося к бесконечности. Именно этот
факт создает предпосылки для достижения сформулированной выше
цели.
Принципиально важным моментом упрощения является выделение из общего числа составляющих или характеристик моделируемого объекта наиболее существенных, доминирующих, оказывающих
влияние на результаты решения данной инженерной задачи (доминант). Универсального рецепта для этого не существует.