Участие в ФЦП


  • Приглашение к участию в ФЦП «Цифровая платформа экологического мониторинга водных ресурсов региона (на примере Тульской области)» (Invitation for the joint application of a project “Research and Development in the Priority Fields of the Scientific-Technological Network for 2014-2020”)


    • Информация на русском языке

      ТГПУ им. Л.Н. Толстого приглашает к сотрудничеству немецких партнеров (университеты, научно-исследовательские центры) для совместной подачи заявки в рамках конкурсного отбора на предоставление гранта в целях реализации федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы».

      Предполагаемая тема проекта: «Цифровая платформа экологического мониторинга водных ресурсов региона (на примере Тульской области)».

      Тема является актуальной для Тульской области, поскольку в настоящее время проводится активная работа по улучшению экологического состояния региона. Очевидно, что цифровые технологии, основанные на математическом моделировании процессов мониторинга экологической обстановки, передаче информации по каналам вычислительной сети, могут существенным образом повысить эффективность данной работы.

      В ТГПУ им. Л.Н. Толстого накоплен значительный опыт компьютерного моделирования физических и технологических процессов, имеется современный вычислительный кластер. Имеющиеся компетенции ученых ТГПУ им. Л.Н. Толстого подтверждаются уже реализованными проектами и грантами в области IT-технологий.

      В ходе реализации проекта планируется проведение прикладных исследований совместно с заинтересованной научно-исследовательской или образовательной организацией Германии по приоритетным направлениям, определенным в российско-немецкой Дорожной карте по сотрудничеству в области образования, науки, исследований и инноваций: Науки о Земле и природоохранные технологии:

      • —цифровые «зеленые» технологии (Digital Green Tech), то есть создание инновационных системных решений «зеленых» технологий;
      • —устойчивое управление водными ресурсами (например, интеллектуальные датчики в сетях водоснабжения и канализации, цифровое сотрудничество в управлении промышленными водами и их производстве).

      Для реализации проекта по условиям конкурса приглашается индустриальный партнер – ПАО «Мегафон», который имеет успешный опыт реализации цифровой платформы мониторинга состояния компонентов воздушной среды.

      Замысел проекта заключается в том, чтобы на основе имеющегося опыта ПАО «Мегафон» по разработке информационной системы оценки состояния воздушной среды разработать подсистему мониторинга водных ресурсов, включая стоки промышленных предприятий. Для этого будут проанализированы точки и места для расположения датчиков оценки состояния воды, разработана модель подсистемы сбора и передачи информации с датчиков на вычислительное ядро системы и доведения полученной информации до соответствующих служб. Далее, будет оценена эффективность предложенной системы и разработан механизм интеграции с существующей системой мониторинга воздуха.

      В ходе реализации планируется создание цифровой экосистемы платформы, включающей:

      • — Средства измерения, которые обеспечивают преобразование сведений о внешней среде в машиночитаемые данные;
      • — Средства передачи машиночитаемых данных от средств измерений в информационные системы, где осуществляется их обработка, а также от информационных систем обработки к системам реагирования;
      • — Средства обработки данных, которые осуществляют накопление и анализ данных, поступающих от средств измерения;
      • — Системы реагирования, которые обеспечивают по результатам обработки данных наступление определенных последствий;
      • — Системы дистанционного мониторинга работоспособности средств измерения, средств передачи данных, средств обработки данных, систем реагирования.

      Предполагается, что созданная платформа будет обладать следующим функционалом:

      • — Дистанционный контроль показаний;
      • — Оперативный анализ данных;
      • — Отслеживание погодных условий;
      • — Мониторинг нештатных ситуаций и аварий;
      • — Прогнозирование развития ситуации;
      • — Поддержка принятия решений;
      • — Публикация информации в вышестоящие системы.

      Предметом проекта будут научные исследования (теоретические и экспериментальные), разработка прототипов технических и технологических решений в области:

      • — аппаратные средства периферийных станций мониторинга трех типов;
      • — сетевые протоколы обмена данными станций между собой (например, при ретрансляции данных) и с узлами сбора и предварительной обработки информации;
      • — аппаратные средства узловых станций;
      • — алгоритмы обработки данных в узловых станциях;
      • — математическая модель текущего состояния водных ресурсов, построенная с учетом информации, получаемой от периферийных станций;
      • — математическая модель динамического представления знаний о состоянии водных ресурсов;
      • — решение задачи об оптимальном размещении периферийных и узловых станций на территории.

      Выражаем надежду на плодотворное и эффективное сотрудничество.

      Контактный email: interdept@tsput.ru


    • Информация на английском языке (Information in English)

      Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University would like to invite German partners (universities, research centres) for the joint application of a project to be selected for financing as part of the implementation of the Federal target program “Research and development in the priority fields of the scientific-technological network of Russia for 2014-2020”

      Proposed Topic of the Project: “Digital Platform of Ecological Monitoring of Water Resources of the Region (with Tula Region as an Example)”

      The topic is relevant for the Tula region as currently active work is being carried out to improve the ecological condition of the region. It is obvious that digital technologies based on mathematical modeling of environmental monitoring processes, information transfer through the channels of a computer network can significantly increase the efficiency of this work.

      Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University has accumulated considerable experience in computer modeling of physical and technological processes; there is a modern computing cluster. The existing competencies of TSPU scientists are confirmed by already implemented projects and grants in the field of IT-technologies.

      In the course of the project implementation, applied research is planned to be conducted together with the German partner – a research or educational organization — as part of the Road Map on cooperation in the field of education, science, research and innovation: Earth Science and Environment Protecting Technologies: Earth sciences and environmental technologies. digital “green” technologies, i.e. the creation of innovative system solutions of “green” technologies; sustainable management of water resources (i.e. i-sensors in the water supply and plumbing systems, digital cooperation in managing industrial waters and their production).

      In accordance with the competition requirements, an industrial partner is invited for project implementation – Megafon Public Joint Stock Company that has a record of successful implementation of the digital platform of air quality monitoring.

      The idea of the project is to develop a subsystem for monitoring water resources, including industrial effluents, on the basis of the existing experience of Megafon Public Joint Stock Company in developing an information system for assessing the state of the air environment. To do this, the points and locations for the location of water assessment sensors will be analyzed; a model of the subsystem for collecting and transmitting information from the sensors to the computer core of the system and bringing the information to the relevant services will be developed. Further, the effectiveness of the proposed system will be evaluated and a mechanism for integration with the existing air monitoring system will be developed.

      During the implementation, it is planned to create a digital ecosystem of the platform, including:

      • — Measurement tools, which ensure transformation of information on the external environment in a machine-readable data
      • — Means of transmitting machine-readable data from measuring instruments to information systems, where they are processed, as well as from information processing systems to response systems;
      • — Data processing tools that accumulate and analyze data from measuring instruments;
      • — Response systems ensuring the occurrence of certain consequences according to the results of data processing;
      • — Systems of remote performance monitoring of measuring instruments, data transmission means, data processing means, response systems.

      It is assumed that the created platform will have the following functionality:

      • — Remote control of indications;
      • — Operational data analysis;
      • — Tracking of weather conditions;
      • — Monitoring of emergency situations and accidents;
      • — Prediction of the situation development;
      • — Decision making support;
      • — Publication of information in a higher system.

      The focus of the current project will be theoretical and experimental research as well as the development of prototypes of technical and technological solutions in the following areas:

      • — hardware devices of periphery stations of monitoring of three types;
      • — network protocols of data exchange between stations (i.e.in data relay) and with centres of data storage and processing);
      • — hardware devices of communication centres;
      • — algorithms of data processing in communication centres;
      • — mathematical model of the current state of water resources based on the information received from peripheral stations;
      • — mathematical model of the dynamic representation of the state of water resources;
      • — solution of the problem of optimal station location including central and peripheral positions.

      We are looking forward to effective and fruitful cooperation!

      Contact email: interdept@tsput.ru


    • Информация на немецком языке (Informationen auf Deutsch)

      Die TSPU von Leo Tolstoi lädt zur Zusammenarbeit deutsche Partner (Universitäten, Forschungszentren) ein, um im Rahmen einer Ausschreibungsauswahl gemeinsam einen Zuschuss zu beantragen, um das bundesweite Zielprogramm «Forschung und Entwicklung in den prioritären Bereichen der Entwicklung der wissenschaftlichen und technologischen Anlage Russlands für die Jahre 2014-2020» umzusetzen.

      Das vermeintliche Thema des Projekts: «Die digitale Plattform für ökologische Wasserüberwachung der Region (am Beispiel des Tula-Gebiets)».

      Bei der Umsetzung des Projekts ist eine angewandte Forschung gemeinsam mit der betroffenen Forschungs- oder Bildungsorganisation Deutschlands über die Prioritätsschwerpunkte geplant, die in der russisch-deutschen Verkehrskarte zur Zusammenarbeit in Bildung, Wissenschaft, Forschung und Innovation definiert sind: Die Wissenschaft über Erde und Naturschutztechnologien:


      • Digitale «grüne» Technologie (Digital Green Tech), also die Schaffung innovativer Systemlösungen für grüne Technologien;

      • Nachhaltige Verwaltung von Wasserressourcen (z. B. intelligente Sensoren in Wasser- und Abwassernetzen, digitale Zusammenarbeit bei der Steuerung und
        Herstellung von industriellem Wasser).

      Zur Umsetzung des Projekts zu den Bedingungen des Wettbewerbs gastiert der Industriepartner, die PAO Megafon, die erfolgreiche Erfahrung mit der Umsetzung der digitalen Plattform zur Überwachung des Zustands von Komponenten der Luftumgebung hat.

      Gegenstand des Projekts sind wissenschaftliche Studien (theoretische und experimentelle), die Entwicklung von Prototypen von technischen und technologischen Lösungen auf dem Gebiet:

      • — Hardware der Peripheriestationen des Monitorings von drei Typen;
      • — Netzwerkprotokolle des Datenaustauschs von Stationen untereinander (z.B. bei der indirekten Übertragung der Daten) und mit Sammel- und Vorverarbeitungsknoten von Informationen;
      • — Hardware für Knotenstationen
      • — Datenverarbeitungsalgorithmen an Knotenstationen;
      • — Das mathematische Modell des aktuellen Wasserressourcenzustands, das unter Berücksichtigung der Informationen, die man von Peripheriestationen erhält, aufgebaut ist;
      • — Das mathematische Modell der dynamischen Darstellung von Wissen über den Zustand der Wasserressourcen;
      • — Die Lösung der Aufgabe für die optimale Platzierung von Peripherie-und Knotenstationen auf einem Territorium.

      Wir hoffen auf eine fruchtbare und wirksame Zusammenarbeit!

      Kontaktemail: interdept@tsput.ru


  • Проект №1 по теме: «Разработка моделей, алгоритмов и прототипа программного модуля для оценки эффективных характеристик материалов получаемых при использовании аддитивных технологий с использованием многомасштабного физического моделирования»


    • Общая информация о выполняемых ПНИЭР

      ФГБОУ ВПО «Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого»

      с 28.10.2015г по 31.12.2017г. — Исполнитель прикладных научно-исследовательских и экспериментальных работ (ПНИЭР) по теме:

      «Разработка моделей, алгоритмов и прототипа программного модуля для оценки эффективных характеристик материалов получаемых при использовании аддитивных технологий с использованием многомасштабного физического моделирования»

      Минобрнауки России предоставило ФГБОУ ВПО «Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого» субсидию в размере 34 млн. руб. из федерального бюджета по СОГЛАШЕНИЮ №14.577.21.0207 от 28.10.2015г. О ПРЕДОСТАВЛЕНИИ СУБСИДИИ для финансового обеспечения (возмещения) затрат, связанных с выполнением ПНИЭР по теме: «Разработка моделей, алгоритмов и прототипа программного модуля для оценки эффективных характеристик материалов получаемых при использовании аддитивных технологий с использованием многомасштабного физического моделирования».


    • Результаты выполняемых ПНИЭР в 2015 году (I этап)

      В 2015 году ТГПУ им.Л.Н.Толстого с участием Индустриального партнера — ФКП «Алексинский химический комбинат» и привлечением внебюджетных средств равных по объему предоставленной субсидии выполнил согласно календарному плану- графику исполнения обязательств по Соглашению первый этап ПНИЭР — Выбор направления исследований и теоретические исследования поставленных перед ПНИЭР задач, включающий следующие работы: Работы, выполняемые за счет средств субсидии:

      1.1 Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИЭР, в том числе, обзор научных информационных источников: статьи в ведущих зарубежных и (или) российских научных журналах, монографии и (или) патенты – не менее 25 научно-информационных источников за период 2010 – 2015г.г.

      1.2 Патентные исследования по ГОСТ Р 15.011-96.

      1.3 Исследование существующих методов многоуровневого моделирования процессов деформирования материалов, получаемых при использовании аддитивных технологий.

      1.4 Обоснование выбора направления и методики исследований в области проведения многоуровневого моделирования процессов деформирования материалов, получаемых при использовании аддитивных технологий.

      1.5 Разработка математической модели 1 оценки эффективных характеристик материалов, получаемых при использовании аддитивных технологий.

      1.6 Разработка математической модели 2 описания изменений напряженно-деформированного состояния при малых деформациях материала или элемента конструкции, получаемых при использовании аддитивных технологий. Работы, выполняемые за счет внебюджетных средств:

      1.7 Выбор и тестирование с использованием тестов NAFEMS отечественного пакета прочностного анализа для интеграции с разрабатываемым программным обеспечением.

      1.8 Анализ и выбор пакета, позволяющего производить многопараметрическую оптимизацию весовых и механических прочностных характеристик элементов конструкций, получаемых с помощью аддитивных технологий.

      1.9 Модернизация рабочих мест тестировщиков и разработчиков.

      1.10 Маркетинговые исследования для изучения перспектив коммерциализации результатов интеллектуальной деятельности (РИД) в странах БРИКС.

      В ходе выполнения этапа 1 (промежуточного) по теме: «Выбор направления исследований и теоретические исследования поставленных перед ПНИЭР задач» получены следующие результаты:

      1. На основе анализа современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, сделан вывод, что в настоящее время общепризнанным является многомасштабный подход анализа конструкций, получаемых методами аддитивных технологий. В рамках данного подхода решение задач предсказательного многомасштабного физического моделирования эффективных механических характеристик материалов, получаемых с использованием аддитивных технологий (МИАТ) распадается на две части – анализ на макроскопическом и микроскопическом уровне. На макроскопическом уровне (с характерным размером элемента конструкции) МИАТ заменяется однородным эффективным материалом. Модули макроскопической среды называются эффективными и связывают осредненные по представительному объему напряжения, деформации и температуры. На микроскопическом уровне МИАТ анализируется со всеми деталями и неоднородностью структуры. Для связи двух масштабов используется понятие представительного объема, который выделяется в теле, и с одной стороны должен быть достаточно мал по сравнению со всем элементом конструкции, с другой стороны достаточно велик, чтобы учесть особенности микроструктуры На представительном объеме вводится процедура осреднения, которая позволяет переходить от микро к макро-масштабу, а при необходимости и обратно. Таким образом, задача отыскания эффективных свойств МИАТ сводится к решению набора задач классической механики сплошных сред на представительном объеме. Данный подход был взят за основу при выполнении данной работы.

      2. Установлено, что в общем случае невозможно обойтись единственным представительным объемом для всей детали из МИАТ или элемента конструкции, однако доказано, что в большинстве случаев использование одного представительного объема позволяет получить результаты в рамках выбранной точности. Поэтому, в рамках данной работы, следует рассматривать представительный объем вне зависимости от детали, как самостоятельный объект для определения эффективных свойств. Однако следует учитывать, что сильные изменения микроструктуры детали от точки к точке или особые точки геометрии детали (отверстия малой кривизны, углы) могут потребовать рассмотрения нескольких представительных объемов.

      3. Установлено, что использование аналитических способов решения задач на представительном объеме позволяет описать эффективные свойства только качественно, поэтому данные методы могут применяться лишь для грубых предварительных оценок и тестирования численных алгоритмов. В рамках данной работы стоит задача получить инструмент пригодный для промышленного применения, поэтому должны быть использованы численные методы для решения задач на представительном объеме.

      4. Установлено, что численные методы решения линейных задач теории упругости, в том числе и для нахождения решения задачи на представительном объеме при поиске эффективных свойств хорошо разработаны, поэтому их следует использовать в рамках данной работы в сочетании с аналитическими соотношения многомасштабного подхода.

      5. Установлено, что большинство конструкций, получаемых методами аддитивных технологий, предназначено для работы в режимах, поддающихся описанию в рамках линейной теории упругости. Данное обстоятельство не связано с особенностями аддитивных технологий, а является общим для всей промышленности, поскольку не предполагается многократное использование изделия, быть может, кроме аэрокосмической отрасли, что возможно только в случае упругого поведения конструкции. Специфика используемых материалов в аддитивных технологиях такова, что они допускают упругое поведение лишь в линейном случае.

      6. Для учета концентраторов напряжений и предварительного напряжения, в рамках данной работы предложен метод наложения малых деформаций, возникающих вследствие образования дефектов, на уже имеющиеся в теле малые деформации. Данный подход является наиболее развитым в теоретическом плане и позволяет учесть все требуемые эффекты.

      7. С целью определения патентоспособности планируемых результатов, а также для получения сведений об охранных и иных документах, которые могут препятствовать применению результатов данного прикладного научного исследования в Российской Федерации, и условиях использования таких документов, был организован и проведён патентный поиск. Патентный поиск проводился в соответствии с ГОСТ Р. 15.011-96 «Система разработки и постановки продукции на производство. Патентные исследования». Выполненный анализ патентных и непатентных источников показал, что рассматриваемая в работе по контракту задача в настоящее время не решена. Рассмотренные выше программные системы, комплексы, отдельные программы не имеют возможности осуществить расчет предсказательного многомасштабного физического моделирования эффективных механических характеристик материалов, получаемых с использованием аддитивных технологий. Поэтому возникает необходимость в специализированных программных комплексах, созданных на основе алгоритмов оценки эффективных характеристик материалов, расчета характеристик процессов изменений напряженно-деформированного состояния при малых деформациях материала или элемента конструкции получаемых при использовании аддитивных технологий. В этих целях представляется необходимым разработать математические модели оценки эффективных характеристик материалов, получаемых при использовании аддитивных технологий и описания изменений напряженно-деформированного состояния при малых деформациях материала или элемента конструкции, получаемых при использовании аддитивных технологий. Также необходимо разработать методику оценки эффективных характеристик материалов, получаемых при использовании аддитивных технологий и методику расчета характеристик процессов изменений напряженно-деформированного состояния при малых деформациях материала или элемента конструкции, получаемых при использовании аддитивных технологий. Проведённое патентное исследование, показало, что в настоящее время отсутствуют патенты и иные охранные документы, которые могут препятствовать в Российской Федерации работам по исследуемой теме.

      8. В результате исследования существующих подходов к многоуровнему моделированию процессов деформирования материалов, получаемых при использовании аддитивных технологий, предложено рассматривать исследуемый МИАТ с позиции двух масштабов: микроскопического масштаба, на котором мы учитываем все особенности микроструктуры, и макроскопического масштаба, на котором МИАТ рассматривается как однородное. Связать эти два масштаба позволяет использование концепции представительного элемента объема материала.

      9. Сделан вывод, что двухмасштабный подход предполагает рассмотрение гетерогенного тела как однородного тела на макромасштабе, свойства гетерогенного тела на макро-уровне называются эффективными или гомогенизированными или осредненными.

      10. Проанализированы существующие методы оценки эффективных характеристик МИАТ. Сделан вывод, что численные методы обладают универсальностью, поскольку позволяют решать задачи, возникающие при определении свойств материалов, на всех масштабах. Для решения задач настоящего исследования предложено применять метод конечных элементов. С применение метода Галёркина решена задача двумерной линейной теории упругости МИАТ. Показано применение теории пластин и балок для многоуровневого моделирования процессов деформирования МИАТ.

      11. Показано, что применение полуаналитических методов исследования позволяет сочетать достоинства аналитических и численных решений, а именно, выделять основные характеристики решения в виде аналитических зависимостей, которые позволяют проводить анализ без больших затрат вычислительных ресурсом на повторяющиеся вычисления, а также экстраполировать результаты.

      12. Исследовано применение метод тензоров Грина для произвольно неоднородных упругих тел. Исследованы методы расчета напряженно-деформированного состояния с учетом предварительных деформаций. Предложен вариант инкрементальной теории с помощью модифицированного подхода Лагранжа, в котором используются модифицированные тензоры напряжений Кирхгофа и модифицированные тензоры деформаций Грина.

      13. Исследована линеаризованная теория упругости для учёта перераспределения напряжений и деформаций после появления дефекта в МИАТ.

      14. Обоснован подход к моделированию оценки эффективных характеристик материалов, получаемых при использовании аддитивных технологий, с применением «типичных элементов», т. е. таких элементов, многократное повторение которых в определенной логической последовательности позволяет построить все исследуемое тело.

      15. Обосновано применение тензора для расчёта эффективных модулей упругости неоднородного упругого тела и выведены формулы для расчёта деформации и напряжения с применением тензора.

      16. Обоснована сущность масштабного эффекта, заключающаяся в зависимости экспериментально измеренных эффективных характеристик от числа ячеек периодичности. Установлено, что чем из большего числа представительных элементов состоит экспериментальный образец, тем меньше сказывается масштабный эффект на результаты измерений.

      17. Получены формулы для эффективных податливостей периодически неоднородного по толщине слоя, составленного из целого числа пакетов слоёв, склеенных между собой.

      18. При выборе отечественного пакета прочностного анализа для интеграции с разрабатываемым программным обеспечением рассматривались 3 программы: CAE Fidesys, APM WinMachine, MicroFe. Поскольку только в CAE Fidesys имеется поддержка собственного программного интерфейса (API), а также поддержка языка Python, сделан обоснованный вывод о применимости CAE Fidesys для дальнейшей интеграции с разрабатываемым программным обеспечением.

      19. С использованием тестов NAFEMS были организовано и проведено тестирование отечественного пакета прочностного анализа CAE Fidesys по следующим группам тестов:

      • статическое нагружение;
      • анализ собственных частот;
      • нелинейные задачи;
      • задачи теплопроводности и термоупругости;
      • контактные задачи.

      20. Результаты тестирования показали, что программный пакет CAE Fidesys позволяет успешно решать поставленные задачи и может быть применён для интеграции с разрабатываемым программным обеспечением.

      21. Проведены анализ и выбор пакета OPTIMENGA_ANALISYS, позволяющего производить многопараметрическую оптимизацию весовых и механических прочностных характеристик элементов конструкций, получаемых с помощью аддитивных технологий.

      22. Выполнены работы по модернизации рабочих мест тестировщиков и разработчиков. На 8 рабочих станциях установлен пакет OPTIMENGA_ANALISYS, обеспечивающий тестировщиков и разработчиков инструментами многопараметрической оптимизации при выполнении работ на 2 и 3 этапах ПНИЭР .

      23. Проведены маркетинговые исследования для изучения перспектив коммерциализации РИД в странах БРИКС Таким образом, новизна исследований, проведенных в рамках первого этапа ПНИЭР, заключается в:

      • обосновании и реализации многомасштабного подхода к оценке эффективных характеристик материалов характеристик материалов, получаемых методами аддитивных технологий;
      • выводе, о том, что для применения методов многоуровневого моделирования процессов деформирования материалов, получаемых при использовании аддитивных технологий необходимо модифицировать существующие методы с учётом особенностей аддитивных технологий;
      • разработанных математических моделях оценки эффективных характеристик материалов, получаемых при использовании аддитивных технологий, которые позволяют рассчитывать эффективные модули упругости структурно-неоднородных упругих материалов, получаемых при использовании аддитивных технологий, при малых деформациях в трехмерном случае для заданной формы и структуры элементарной ячейки (представительного объема) материала и заданных модулей упругости компонентов этого материала.

      Практическая значимость исследований заключается в том, что они создают теоретическую базу для разработки математических моделей в последующем; разработанная математическая модель оценки эффективных характеристик материалов позволяет разрабатывать алгоритмы и программное обеспечение инструментария для многоуровневого моделирования процессов деформирования новых конструкционных материалов повышенной жесткости, получаемых с использованием аддитивных технологий. Все работы, выполнение которых было запланировано на первом этапе ПНИЭР, в том числе за счет внебюджетных средств, выполнены своевременно и с надлежащим качеством. Научно-технический уровень этих работ соответствует мировому уровню.


    • Результаты выполняемых ПНИЭР в 2016году (II этап)

      На Этапе 2 ПНИЭР получены следующие результаты:

      • разработана методика 1 оценки эффективных характеристик материалов, получаемых при использовании аддитивных технологий;
      • разработана методика 2 расчета характеристик процессов изменений напряженно-деформированного состояния при малых деформациях материала или элемента конструкции, получаемых при использовании аддитивных технологий;
      • разработан алгоритм 1 оценки эффективных характеристик материалов, получаемых при использовании аддитивных технологий;
      • разработан алгоритм 2 расчета характеристик процессов изменений напряженно-деформированного состояния при малых деформациях материала или элемента конструкции, получаемых при использовании аддитивных технологий.
      • разработан прототип программного модуля 1 оценки эффективных характеристик материалов, получаемых при использовании аддитивных технологий. Выполнены описание по ГОСТ 19.402-78 и текст программы по ГОСТ 19.401-78;
      • разработан прототип программного модуля 2 расчета характеристик процессов изменений напряженно-деформированного состояния при малых деформациях материала или элемента конструкции, получаемых при использовании аддитивных технологий. Выполнены описание по ГОСТ 19.402-78 и текст программы по ГОСТ 19.401-78;
      • разработаны Программа и методика экспериментальных исследований прототипа программного модуля 1 оценки эффективных характеристик материалов, получаемых при использовании аддитивных технологий;
      • разработаны Программа и методика экспериментальных исследований прототипа программного модуля 2 расчета характеристик процессов изменений напряженно-деформированного состояния при малых деформациях материала или элемента конструкции, получаемых при использовании аддитивных технологий;
      • выполнены экспериментальные исследования (тестирование программного кода) прототипа программного модуля 1 оценки эффективных характеристик материалов, получаемых при использовании аддитивных технологий. Результаты тестирования показали полное соответствие прототипа программного модуля 1 требованиям Технического задания;
      • выполнены экспериментальные исследования (тестирование программного кода) прототипа программного модуля 2 расчета характеристик процессов изменений напряженно-деформированного состояния при малых деформациях материала или элемента конструкции, получаемых при использовании аддитивных технологий. Результаты тестирования показали полное соответствие прототипа программного модуля 2 требованиям Технического задания;
      • разработан прототип программного модуля для оценки эффективных характеристик материалов, получаемых при использовании аддитивных технологий с использованием многомасштабного физического моделирования. Выполнены описание по ГОСТ 19.402-78 и текст программы по ГОСТ 19.401-78;
      • выполнены анализ и адаптация программного интерфейса (API) отечественного пакета прочностного анализа CAE Fidesys для интеграции с разрабатываемым программным обеспечением;
      • выполнены анализ и апробация программного интерфейса (API) пакета OPTIMENGA, позволяющего производить многопараметрическую оптимизацию весовых и механических прочностных характеристик элементов конструкций, получаемых с помощью аддитивных технологий;
      • разработана структура прототипа программного модуля 3 интеграции прототипа программного модуля для оценки эффективных характеристик материалов, получаемых при использовании аддитивных технологий с использованием многомасштабного физического моделирования с отечественным пакетом прочностного инженерного анализа CAE Fidesys. Выполнены описание по ГОСТ 19.402-78 и текст программы по ГОСТ 19.401-78;
      • разработана структура прототипа программного модуля 4 интеграции прототипа программного модуля для оценки эффективных характеристик материалов, получаемых при использовании аддитивных технологий с использованием многомасштабного физического моделирования с пакетом OPTIMENGA многопараметрической оптимизации весовых и механических прочностных характеристик элементов конструкций, получаемых с помощью аддитивных технологий. Выполнены описание по ГОСТ 19.402-78 и текст программы по ГОСТ 19.401-78;
      • разработаны Программа и методика экспериментальных исследований прототипа программного модуля 3 интеграции прототипа программного модуля для оценки эффективных характеристик материалов, получаемых при использовании аддитивных технологий с использованием многомасштабного физического моделирования с отечественным пакетом прочностного инженерного анализа;
      • разработаны Программа и методика экспериментальных исследований прототипа программного модуля 4 интеграции прототипа программного модуля для оценки эффективных характеристик материалов, получаемых при использовании аддитивных технологий с использованием многомасштабного физического моделирования с пакетом многопараметрической оптимизации весовых и механических прочностных характеристик элементов конструкций, получаемых с помощью аддитивных технологий;
      • подготовлена и подана заявка на государственную регистрацию программы для ЭВМ «Программа расчета характеристик процессов изменений напряженно-деформированного состояния материала, получаемых при использовании аддитивных технологий»;
      • принято участие в четырех мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию промежуточных результатов ПНИЭР;
      • проведена модернизация 18 рабочих мест исследователей и разработчиков;
      • выполнены маркетинговые исследования для изучения перспектив коммерциализации РИД в странах Европы.

    • Результаты выполняемых ПНИЭР в 2017году (III этап)

      Состав и результаты выполненных работ:

      Разработаны Программа и методики экспериментальных исследований, прототипа программного модуля для оценки эффективных характеристик материалов, получаемых при использовании аддитивных технологий с использованием многомасштабного физического моделирования (ППМ МФМ). Проведены экспериментальные исследования (тестирование программного кода) прототипа программного модуля для оценки эффективных характеристик материалов, получаемых при использовании аддитивных технологий с использованием многомасштабного физического моделирования, полностью подтвердившие соответствие ППМ МФМ требованиям ТЗ. Проведен анализ результатов моделирования механизмов деформирования материалов, получаемых при использовании аддитивных технологий с использованием многомасштабного физического моделирования. Выполнены обобщение и оценка полученных результатов ПНИЭР.

      Разработанный комплекс программных модулей (КПМ) обеспечивает детальный учет микроструктуры материалов при проведении численной оценки эффективных характеристик изделий, изготовленных из материалов, получаемых по аддитивным технологиям с поддержкой высокопроизводительных вычислений по технологиям OpenMP, MPI, CUDA. В КПМ используется новая методика, изменений напряженно-деформированного состояния (НДС) при малых деформациях материала или элемента конструкции, получаемых при использовании аддитивных технологий. Новизна методики определяется учетом поэтапного соединения слоев материала или элемента конструкции и температурных напряжений и деформаций, возникающих в каждом слое. При расчете НДС каждого присоединяемого слоя учитываются предварительные деформации, накопленные в уже имеющихся слоях.

      Проведена технико-экономическая оценка рыночного потенциала полученных результатов ПНИЭР.

      Разработаны рекомендации и предложения по использованию результатов ПНИЭР в реальном секторе экономики, а также вовлечению их в хозяйственный оборот.

      Разработан проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка высокопроизводительного программного комплекса многоуровневого моделирования процессов деформирования новых конструкционных материалов повышенной жесткости, получаемых с использованием аддитивных технологий «.

      Разработан прототип программного модуля 3 (ППМ3) интеграции прототипа программного модуля для оценки эффективных характеристик материалов, получаемых при использовании аддитивных технологий с использованием многомасштабного физического моделирования с отечественным пакетом прочностного инженерного анализа.

      Разработан прототип программного модуля 4 (ППМ4) интеграции прототипа программного модуля для оценки эффективных характеристик материалов, получаемых при использовании аддитивных технологий с использованием многомасштабного физического моделирования с в пакетом многопараметрической оптимизации весовых и механических прочностных характеристик элементов конструкций, получаемых с помощью аддитивных технологий.

      Проведены экспериментальные исследования (тестирование программного кода) прототипа программного модуля 3 (ППМ3) интеграции прототипа программного модуля для оценки эффективных характеристик материалов, получаемых при использовании аддитивных технологий с использованием многомасштабного физического моделирования с отечественным пакетом прочностного инженерного анализа.

      Проведены экспериментальные исследования (тестирования программного кода) прототипа программного модуля 4 (ППМ4) интеграции прототипа программного модуля для оценки эффективных характеристик материалов, получаемых при использовании аддитивных технологий с использованием многомасштабного физического моделирования с пакетом многопараметрической оптимизации весовых и механических прочностных характеристик элементов конструкций, получаемых с помощью аддитивных технологий.

      Проведена подготовка, поданы 3 заявки на государственную регистрацию программы для ЭВМ.

      По этим заявкам получены 3 свидетельства о регистрации РИД. Принято участие в 5 мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию промежуточных результатов ПНИЭР. Проведена модернизация 13 рабочих мест исследователей и разработчиков. Выполнены маркетинговые исследования для изучения перспектив коммерциализации РИД в странах G20.


  • Проект №2 по теме: «Разработка прототипа инженерного программного обеспечения (ИПО) на основе высокопроизводительных вычислений для оценки механических характеристик изделия изготовленного с использованием аддитивных технологий (методом селективного лазерного спекания) с учетом стратегии изготовления изделия»


    • Общая информация о выполняемых ПНИЭР

      ФГБОУ ВО «Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого»

      исполнитель прикладных научно-исследовательских и экспериментальных работ (ПНИЭР) по теме:

      «Разработка прототипа инженерного программного обеспечения (ИПО) на основе высокопроизводительных вычислений для оценки механических характеристик изделия изготовленного с использованием аддитивных технологий (методом селективного лазерного спекания) с учетом стратегии изготовления изделия»

      Минобрнауки России предоставило ФГБОУ ВО «Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого» субсидию в размере 150 млн. руб. из федерального бюджета по СОГЛАШЕНИЮ

      № 14.577.21.0271 от 26.09.2017г.

      О ПРЕДОСТАВЛЕНИИ СУБСИДИИ для финансового обеспечения (возмещения) затрат, связанных с выполнением ПНИЭР по теме: «Разработка прототипа инженерного программного обеспечения (ИПО) на основе высокопроизводительных вычислений для оценки механических характеристик изделия изготовленного с использованием аддитивных технологий (методом селективного лазерного спекания) с учетом стратегии изготовления изделия»


    • Результаты выполняемых ПНИЭР в 2017году (I этап)

      Состав и результаты выполненных работ:

      Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИЭР.

      Проведены патентные исследования по ГОСТ Р 15.011-96.

      Разработана математическая модель 1 процесса распространения тепла в изделии в процессе его создания методом селективного лазерного спекания в трёхмерном случае.

      Разработана математическая модель 2 напряженно-деформированного состояния в изделии в процессе его создания методом селективного лазерного спекания в трёхмерном случае.

      Разработана математическая модель 4 периодических пористых и ячеистых структур с переменными теплофизическими свойствами на микроуровне материалов, получаемых с использованием аддитивных технологий.

      Разработана математическая модель 5 периодических пористых и ячеистых структур с переменными механическими свойствами на микроуровне материалов, получаемых с использованием аддитивных технологий.

      Разработана методика 1 моделирования тепловых процессов при создании изделия методом селективного лазерного спекания.

      Разработана методика 2 моделирования напряжений и деформаций, возникающих в процессе создания изделия методом селективного лазерного спекания.

      Разработана методика 4 моделирования эффективных теплофизических свойств структурно-неоднородных материалов, получаемых с использованием аддитивных технологий.

      Разработана методика 5 моделирования эффективных механических свойств структурно-неоднородных нелинейно-упругих материалов, получаемых с использованием аддитивных технологий.

      Разработанные математические модели 1,2,4,5 и методики моделирования обладают научной новизной, подтвержденной проведенными аналитическими и патентными исследованиями.

      Разработан и изготовлен экспериментальный стенд на основе специализированного вычислительного кластера.

      Принято участие в двух мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию промежуточных результатов ПНИЭР.

      Проведены маркетинговых исследований для изучения перспектив коммерциализации РИД в странах АТР.

      Обоснован выбор структуры и технических требований и специализированного программного обеспечения для экспериментального стенда.

      Выполнена модернизация 13 рабочих мест исследователей и разработчиков.

      Проведена подготовка практических данных для проверки математических моделей 1, 2, 4, 5.

      Выполнена настройка программного обеспечения экспериментального стенда.

      Выполнена разработка общего алгоритма распараллеливания вычислительных процессов в ЭО ПК с учётом особенностей задачи моделирования напряженно-деформированного состояния в изделии в процессе его создания методом селективного лазерного спекания.

      Проведено изготовление металлопрошковых композиций марок AISI 316L, КХ28М6, КХ26Н9МЖВ, Inconel 718, для проверки математических моделей.

      Проведено определение химических и гранулометрических характеристик металлопорошковых композиций марок AISI 316L, КХ28М6, КХ26Н9МЖВ, Inconel 718, для включения их в расчетные математические модели.

      Выполнена подготовка специализированного оборудования для снятия физико-механических характеристик порошковых композиций.


    • Результаты выполняемых ПНИЭР в 2018году (II этап)

      Состав и результаты выполненных работ:
      1.1 Разработана математическая модель 3 многопараметрической оптимизации структуры изделия аддитивного производства.
      1.2 Разработана математическая модель 6 оценки остаточной прочности изделия аддитивного производства при наличии трещин.
      1.3 Разработана математическая модель 7 предельных нагрузок на изделия аддитивного производства.
      1.4 Разработана математическая модель 8 формирования микроструктуры материала изделия аддитивного производства.
      1.5 Разработана методика 3 многопараметрической оптимизации структуры изделия аддитивного производства.
      1.6 Разработана методика 6 моделирования остаточной прочности изделия аддитивного производства при возникновении в нем трещин в рамках классической механики разрушения.
      1.7 Разработана методика 7 моделирования предельных нагрузок на изделия аддитивного производства в процессе его эксплуатации .
      1.8 Разработана методика 8 моделирования геометрических параметров микроструктуры материала изделия аддитивного производства.
      1.9 Разработан алгоритм 1 расчёта на основе метода конечных элементов скалярного поля температуры в изделии в процессе его создания методом селективного лазерного спекания (СЛС) в трёхмерном случае.
      1.10 Разработан алгоритм 2 расчёта на основе метода спектральных элементов (МСЭ) скалярного поля температуры в изделии в процессе его создания.
      1.11 Разработан алгоритм 3 расчета на основе метода конечных элементов тензоров напряжений, деформаций и вектора перемещений в изделии в процессе его создания методом селективного лазерного спекания в трёхмерном случае.
      1.12 Проведены дополнительные патентные исследования по ГОСТ Р 15.011-96.
      1.13 Разработан алгоритм 4 расчета на основе метода спектральных элементов тензоров напряжений, деформаций и вектора перемещений в изделии.
      1.14 Разработан алгоритм 5 расчета эффективного тензора теплопроводности материала пористой и ячеистой структуры, получаемых с использованием аддитивных технологий.
      1.15 Разработан алгоритм 6 расчета эффективных модулей упругости материала пористой и ячеистой структуры, получаемых с использованием аддитивных технологий.
      1.16 Разработан алгоритм 7 расчёта времени до разрушения изделия аддитивного производства.
      1.17 Разработан алгоритм 8 расчёта с использованием метода конечных элементов или метода спектральных элементов предельных нагрузок на изделия аддитивного производства.
      1.18 Разработан алгоритм 9 расчёта на основе метода конечных элементов геометрических параметров микроструктуры материала изделия аддитивного производства.
      1.19 Разработана структура программного модуля расчета напряженно-деформированного состояния в изделии в процессе его создания методом СЛС в трёхмерном случае на основе МСЭ
      1.20 Разработана структура программного модуля оценки эффективных теплофизических свойств пористых и ячеистых структур.
      1.21 Разработана структура программного модуля оценки эффективных механических свойств пористых и ячеистых структур.
      1.22 Разработана структура программного модуля расчета остаточной прочности изделия аддитивного производства.
      1.23 Разработана структура программного модуля расчета предельных нагрузок на изделия аддитивного производства.
      1.24 Разработана структура программного модуля расчета геометрических параметров микроструктуры материала изделия аддитивного производства.
      1.25 Разработана программа алгоритма 1 расчёта на основе метода конечных элементов скалярного поля температуры в изделии в процессе его создания методом СЛС.
      1.26 Разработана программа алгоритма 2 расчёта на основе метода спектральных элементов скалярного поля температуры в изделии в процессе его создания методом СЛС.
      1.27 Разработана программа алгоритма 3 расчета на основе метода конечных элементов тензоров напряжений, деформаций и вектора перемещений в изделии в процессе его создания методом СЛС.
      1.28 Разработана структура и состав экспериментального образца программного комплекса, общего алгоритма функционирования.
      1.29 Разработана структура программного модуля численного анализа процесса распространения тепла в изделии в процессе его создания методом СЛС в трёхмерном случае на основе МКЭ.
      1.30 Разработана структура программного модуля численного анализа процесса распространения тепла в изделии в процессе его создания методом СЛС в трёхмерном случае на основе МСЭ.
      1.31 Разработана структура программного модуля расчета напряженно-деформированного состояния в изделии в процессе его создания методом СЛС на основе МКЭ.
      1.32 Разработан алгоритм программного модуля задания свойств материала для изготовления изделий методом СЛС.
      1.33 Проведена модернизация рабочих мест исследователей и разработчиков.
      1.34 Разработан алгоритм программного модуля задания стратегии изготовления изделия методом селективного лазерного спекания.
      1.35 Разработана структура программного модуля построения конечно-элементной сетки внутри модели изделия, изготовленного методом СЛС.
      1.36 Разработан алгоритм программного модуля интеграции программно-реализованных алгоритмов разработанных математических моделей с отечественным пакетом прочностного анализа.
      1.37 Разработан алгоритм программного модуля параметризации структуры изделия, изготовленного с использованием аддитивных технологий и интеграции со сторонним программным обеспечением многопараметрической оптимизации.
      1.38 Проведено маркетинговое исследование для изучения перспектив коммерциализации РИД в странах Европы.
      1.39 Проведена подготовка материалов для проверки математических моделей.
      1.40 Проведена подготовка практических данных для проверки тест-кейсов для тестирования программных модулей 1-8.
      1.41 Разработан алгоритм программного модуля загрузки геометрических моделей изделия, изготовленного методом СЛС.
      1.42 Разработан алгоритм программного модуля моделирования внешних нагрузок на изделие, изготовленное методом СЛС.
      1.43 Разработан алгоритм программного модуля вывода результатов расчёта.
      1.44 Разработан программный модуль задания свойств материалов для изготовления изделий методом СЛС.
      1.45 Разработан программный модуль загрузки геометрических моделей изделия, изготовленного методом СЛС.
      1.46 Изготовлены изделия из металлопрошковых композиций марок AISI 316L, КХ28М6, КХ26Н9МЖВ, Inconel 718 для проверки моделей.
      1.47 Определены физико-механические характеристики изделий, полученных из металлопрошковых композиций марок AISI 316L, КХ28М6, КХ26Н9МЖВ, Inconel 718 для включения их в расчетные математические модели.
      1.48 Подготовлено и настроено специализированное оборудование для снятия физико-механических характеристик порошковых композиций.
      1.49 Подготовлены металлопрошковые композиции на основе W, Ti, Mo для проверки моделей.
      1.50 Определены физико-механических характеристик изделий, полученных из металлопрошковых композиций на основе W, Ti, Mo для включения их в расчетные математические модели.