' # # %),-$ #./- "- # )& )/ % )01 *'%2 # %),"3 # $* 24 # "& 0)3534 # 6& %"% # 01 *%$ # 78)2 # ".0) # 9#$"% #!&.

Transkrypt

1 ! "#$%! "# $

2 % # & '%(#)*)+ # # %),-$ #./- "- # )& )/ % )0 *'% # %),'3 # -"'$ #,%%% # $* 4 # "& 0)3534 # 6& %"% # 0 *%$ # 78) # ".0) # 9#$"% #!&."35% #,"% # %),"3 # 7) :$ #.#%;; & #09"* )0*&.,&.*, <#%.0", 0) * ' B@EC(FCG= (!"#$%&''()''' * +,- * - * -./!

3 # ) 0H G 7!**% 6! /0 - * 3* 0 3* / / * 8 I 7 +J * 003! * 0 0!! 0 * * 0 CI )& )+J, * BG %),-.J"& 0)" :53* -* 5 * 3038;593 :8*.90; 5.* 3 3?G $* "/ !0.3/038 0 * 30 5 =G 7)# J')!)"/ 0 0 * 0<.9 3* 0 * 3-038* 0 / 0 5 0/ GG 3* *.9=>FG 3

4 $* %J!&.3!.30 * 3 03!./ / /I? / ;8* < 5 EG!*!#J)0) * /..3< *.* 0.3/0 55* / D? 4

5 "K# #09 "* )0* &., &.*, >#"A )) * * 9* 9 3*/ 0 8?/ ) 0L&.9* H+ )* ))* 9..9*)*+) )&!+ M 0&., ) ) ) 00* & "& 9 *! ) 00& H),& * N& H)& *&, )! O &! M0&.,!& *.,*0&., 0&., *) 0&., *& & 0&., * 09,*, 0&., *99 0&., *! 0&., *.& 0&., 08*.9, 0&., 0).)!, 0&., 0.* 0&., *9& 0&., * ** 0&., *&! & ) 0&., *!& * 9,0 9.,+ * * )) #" ) CDD? 9. &8* 3*/ 0 8? / 0) * J&,B@C@*09 5

6 6

7 Symulacja w Badaniach i Rozwoju Vol., No. /00 Jan Zbigniew CZAJGUCKI jzczaj@wp.pl Filozoficzno-naukowo-dysertacyjne problemy modelowania i symulacji relacji niezawodnociowych w wieloaspektowych systemach Wstp Celem artykułu jest przedstawienie wyrónionych problemów modelowania relacji niezawodnociowych w systemach pojmowanych z okrelonych punktów widzenia, i problemów komputerowej symulacji tych relacji z uyciem ich modeli pozyskanych w rozwaanym modelowaniu. System jest rozumiany jako twór ludzkiej wyobrani, odnosi si go do okrelonej rzeczywistoci wyodrbnionej według reguł pojmowania systemu, stanowi okrelon cało złoon z elementów i relacji midzy nimi. Niezawodno jest jedn z najbardziej istotnych cech obiektów technicznych, w szczególnoci złoonych, traktowanych jako systemy techniczne, wynikajc z potrzeby realizacji przez nie okrelonych funkcji, potrzeby szeroko pojtego bezpieczestwa i z uwarunkowa ekonomicznych. Niezawodno ta jest współzalena z zachowaniem człowieka jako uytkownika obiektów technicznych, a take wpływa na otoczenie tych obiektów, w szczególnoci na przyrod. W artykule przedstawiono syntez problemów zawodnoci systemów antropotechnicznych ( człowiek obiekt techniczny ) w kontekcie relacji tych systemów z szerzej pojtymi systemami, mianowicie socjoekotechnicznymi ( ludzie obiekty techniczne przyroda ). Nauka poczwszy od Arystotelesa [] do Penrose'a [] zajmuje si zagadnieniami modelowania rónego rodzaju relacji. W odniesieniu do relacji niezawodnociowych modelowanie ma szczególny charakter, mianowicie interdyscyplinarny i systemowy, ze wzgldu na wielopostaciowo rozwaanych systemów, a take etyczny ze wzgldu na sens działa w yciu doczesnym. Opisano system działa modelujcych rozwaane relacje niezawodnociowe. Scharakteryzowano problemy modelowania i symulacji relacji niezawodnociowych, w szerokim ich rozumieniu, w sensie filozoficznym, naukowym i dysertacyjnym. Synteza problemów zawodnoci systemów antropotechnicznych Skutki zawodnoci systemów antropotechnicznych, to: ) niemono zrealizowania funkcji zada przez obiekty techniczne, ) zagroenie bezpieczestwa: systemów antropotechnicznych, 7

8 8 3) straty ekonomiczne: 7!*%7' otoczenia tych systemów: ludzi, obiektów technicznych, innych ni te, których niezawodno jest rozwaana, i rodowiska przyrodniczego, bezporednie koszty utrzymania zdatnoci obiektów technicznych, porednie, tzw. straty przestojowe uszkodzonych obiektów technicznych i funkcjonalnie z nimi zwizanych obiektów, rynkowe, 4) deprecjacja wartoci etycznych. W problematyce szeroko pojtej niezawodnoci zorientowanej na rozwaane systemy, wyrónia si problemy: społeczne, techniki i naukowe [3, 4]. Problemy społeczne: jak zaspokoi potrzeby społeczne, przy zawodnych systemach antropotechnicznych? jak zapewni szeroko rozumiane bezpieczestwo przy zawodnych systemach antropotechnicznych? jak efektywnie, według ekonomicznych kryteriów, rozporzdza technik, przy ograniczonej jej niezawodnoci i zawodnoci człowieka? jak kształci i wychowywa dzieci, młodzie, w tym studentów, aby naukowcy, inynierowie, ekonomici oraz ludzie zajmujcy si innymi dziedzinami ycia posiedli stosown wiedz i umiejtno do rozwizywania problemów współczesnej cywilizacji, w tym problemów niezawodnoci systemów antropotechnicznych? Problemy techniki: jaka ma by wymagana, z racji wielu potrzeb, niezawodno obiektów systemów technicznych? jak zaprojektowa, a nastpnie wytworzy obiekty techniczne o wymaganej niezawodnoci? jak utrzyma wymagan niezawodno obiektów technicznych w eksploatacji? Problemy naukowe: jak wartociowa technik w wietle potrzeb społecznych, a szerzej w kontekcie rozwoju cywilizacji w okrelonym kierunku, najlepiej wyznaczonym dnoci do najwyszych wartoci etycznych? jak postulowa wymagan niezawodno obiektów technicznych? jak utworzy system projektowania obiektów technicznych o wymaganej niezawodnoci? jakie stosowa technologie wytwarzania obiektów technicznych o wymaganej niezawodnoci? jak powinien przebiega proces eksploatacji obiektów technicznych, aby utrzyma ich wymagan niezawodno?

9 6! /0 - * 3* 0 3* / / * 8 jak i co bada w zakresie niezawodnoci systemów antropotechnicznych i socjoekotechnicznych? jak doktoryzowa w dziedzinie niezawodnoci systemów? Rozwizywaniu ww. problemów słuy tu rozwaane modelowanie, stanowi ono istotne ogniwo w systemie metod i rodków (wraz z symulacj komputerow) tego rozwizywania. 3. Modelowanie relacji niezawodnociowych Niezawodnoci R(t) okrelonego obiektu nazywa si jego zdolno do poprawnego funkcjonowania w okrelonych warunkach {w} i w cigu okrelonego czasu t. Miar niezawodnoci R(t) obiektu jest zwykle prawdopodobiestwo P jego nieuszkodzenia U w czasie t i warunkach {w}, zatem R(t)=P{U (0,t]} {w}. () Warunki {w} dzieli si na wewntrzne {w w } i zewntrzne {w z }. Przykładowo, w odniesieniu do obiektu technicznego, pierwsze {w w } wyraa si poprzez cechy materiałowe jego elementów, własnoci postaci konstrukcyjnej, cechy obcie, napre i wytrzymałociowe, własnoci technologii i jakoci wytwarzania, cechy procesów fizyczno-chemiczno-biologicznych w nim wystpujcych, właciwoci płynów współpracujcych z elementami konstrukcyjnymi. Jako warunki zewntrzne {w z } wystpi cechy personelu eksploatujcego (uytkujcego i obsługujcego) obiekt techniczny, właciwoci rodowiska naturalnego otoczenia przyrodniczego obiektu technicznego, cechy obcie zewntrznych tego obiektu. Trwałoci T obiektu jest nazywana jego zdolno do zachowania własnoci uytkowych w okrelonych warunkach {w} i w okrelonym czasie t. Relacj niezawodnociow nazywamy symbolicznie zapisan zaleno midzy wielkociami, sporód których co najmniej jedna jest niezawodnociow okrelonego obiektu bd jest wielkoci z t niezawodnoci skojarzona inn zalenoci [5]. Formy wyraania relacji niezawodnociowych umoliwiajce ich wartociowanie mog by róne, nazywamy je formalnymi modelami relacji niezawodnociowych. Jako formy wyraania relacji niezawodnociowych wyrónia si, [5]: z uyciem funktorów logicznych, matematyczne, i te s wielopostaciowe, jednake maj wspóln własno, mianowicie probabilistyczno, oraz graficzne. Rodzaje relacji niezawodnociowych: przyrodnicze (fizyczne, chemiczne, biologiczne, i ich kombinacje, np. fizyczno-chemiczne), szczegółowe sporód przyrodniczych, np. psychologiczne, ekologiczne, ekonomiczne. Cechy relacji niezawodnociowych i ich modeli, to: interdyscyplinarno, systemowo, probabilistyczno oraz cigło lub dyskretno. Ogólny schemat modelowania relacji niezawodnociowych jako systemu wyrónionych działa przedstawiony jest na rysunku, na podstawie [5]. 9

10 7!*%7' I identyfikacja obiektów MOR mylowe odwzorowanie relacji niezawodnociowych EOR eksperymentalne odwzorowanie relacji niezawodnociowych W weryfikacja modeli relacji niezawodnociowych przepływ informacji informacyjne sprzenia zwrotne Rys.. Schemat systemu modelowania relacji niezawodnociowych Fig.. Diagram of the system of reliability relations modelling Identyfikacja (I) obiektów, to identyfikacja cech obiektów w rozwaanych systemach, oraz cech procesów wystpujcych w tych systemach. Mylowe odwzorowanie relacji niezawodnociowych (MOR) stanowi hipotetyczno-dedukcyjne rozumowanie kojarzce zwizki midzy wyrónionymi cechami sporód cech identyfikacji obiektów. Eksperymentalne odwzorowanie relacji niezawodnociowych (EOR), to modelowe (w laboratorium) i rzeczywiste (w warunkach rzeczywistych) badania okrelonych relacji w rozwaanych systemach. Mylowe i eksperymentalne odwzorowanie relacji niezawodnociowych stanowi tworzenie modeli tych relacji. Weryfikacja (W) utworzonych modeli relacji niezawodnociowych polega na sprawdzaniu relatywnoci tych modeli do realiów, drog mylow lub eksperymentu, ale inn ni ta, któr dokonano utworzenia tych modeli. Modelowanie rozwaanych relacji niezawodnociowych, w wyrónianych systemach, powinno odbywa si zgodnie z niej wymienionymi zasadami [5], mianowicie: ) zasada zgodnoci modelowania relacji niezawodnociowych z prawami natury, zwanymi prawami nauk przyrodniczych, w szczególnoci z prawami fizyki, chemii i biologii, i z prawami innych nauk, ni przyrodnicze, np. ekonomii, 0 ) zasada inferencyjnego wynikania, tzn. zgodnego z regułami logiki, w rozwaanym modelowaniu, 3) zasada relatywnoci matematycznych form wyraania relacji niezawodnociowych do powyszych zasad, 4) zasada systemowego modelowania rozwaanych relacji,

11 6! /0 - * 3* 0 3* / / * 8 5) zasada relatywnoci modeli relacji niezawodnociowych do potrzeb realizacji celów poznawczych i utylitarnych. Szczegółowe omówienie powyszych zasad jest podane w [5]. Wyrónia si nastpujce relacje niezawodnociowe: relacje midzy realizacjami trwałoci elementów a ich niezawodnociami; relacje midzy niezawodnociami elementów a niezawodnoci okrelonego obiektu technicznego; relacje midzy wymagan niezawodnoci obiektu technicznego a projektowanymi niezawodnociami jego elementów składowych; relacje midzy projektowanymi niezawodnociami elementów a ich projektowanymi przecitnymi trwałociami; relacje midzy cechami procesów powodujcych uszkodzenia elementów a ich przecitnymi trwałociami; relacje midzy niezawodnociami okrelonych elementów a czasami (okresami) ich uytkowania do profilaktycznych wymian. Te wyrónione, i dalsze relacje niezawodnociowe oraz ich modele s podane, m.in. w [5-9]. Przykład systemu działa modelujcych relacje niezawodnociowe w projektowaniu złoonych systemów technicznych oraz przykładowe wyniki, w postaci wykresów relacji, komputerowej symulacji okrelonych relacji podane s w [0]. Osobn kwesti s relacje w systemach antropotechnicznych i socjoekotechnicznych, takie jak relacje midzy cechami człowieka a jego niezawodnoci, relacje miedzy niezawodnoci systemów antropotechnicznych a właciwociami ich otoczenia, relacje midzy zawodnoci systemów antropotechnicznych a ekonomicznymi skutkami tej zawodnoci. Tym zagadnieniom powicone s, m.in. prace [-4] i tam cytowane. Szczególn uwag zwraca si na przyczynowo-skutkowo relacji niezawodnociowych wyraon w [4], jako istotn cech rozwaa niezawodnociowych w odniesieniu do wszelkich obiektów. Istotn kwesti jest takie modelowanie, aby pozyskiwa wiarygodne modele rozwaanych relacji, sensu stricto procesów zwizanych z niezawodnoci systemów. Symulacja jest sposobem odwzorowywania tych relacji, a jej wiarygodno jest cile zwizana z modelami relacji. W szczególnoci w projektowaniu obiektów technicznych komputerowa symulacja niezawodnociowa ma due znaczenie praktyczne w tworzeniu niezawodnych obiektów, a dokładnie obiektów o wymaganej, ze wzgldu na okrelone potrzeby, niezawodnoci. Systemowo-interdyscyplinarne ujcie modelowania procesów w obiektach technicznych i ich otoczeniu, a w tym stosownych relacji jest podane w [5], z cytowaniem 73 pozycji literatury. 4 Ogólna charakterystyka problemów modelowania rozwaanych relacji Problemy modelowania rozwaanych relacji s nastpujce. ) Problem identyfikacji cech procesów wystpujcych w rozwaanych systemach, antropotechnicznych i socjoekotechnicznych. Sprowadza si on do znajomoci tych procesów i wyrónienia istotnych ich cech w aspekcie niezawodnoci systemów antropotechnicznych i zagroe wzgldem systemów socjoekotechnicznych. ) Problem mylowego kreowania okrelonych relacji niezawodnociowych, w szczególnoci w aspekcie przyczynowo-skutkowym.

12 7!*%7' 3) Problem eksperymentowania modelowego i rzeczywistego w celu pozyskania modeli wyrónionych relacji niezawodnociowych. 4) Problem weryfikacji modeli relacji niezawodnociowych, najtrafniej na innej drodze, ni te modele powstały. Te, ww., problemy s spójne i tworz system problemów tu rozwaanych. Z kolei z tymi problemami wi si nastpujce zagadnienia problemy. Problem nauki o niezawodnoci systemów antropotechnicznych i o ich relacjach z systemami socjoekotechnicznymi. W tym umieszcza si równie problem kształcenia studentów, przyszłych inynierów, doktoryzowania i dokształcania inynierów w zakresie niezawodnoci okrelonych obiektów w szeroko pojtych obszarach, tzn. w wartociowaniu techniki, w projektowaniu, wytwarzaniu i eksploatacji obiektów technicznych oraz w stosownych ku temu badaniach. Problem bada niezawodnociowych odwzorowujcych uszkodzenia elementów rozwaanych systemów, ale wraz z identyfikacj warunków, w których te uszkodzenia zachodz. Zwraca si tu uwag na badania, które wi si z cechami fizycznochemiczno-biologicznych procesów. Zarówno klasyczne badania niezawodnoci elementów, powinny zachodzi przy znajomoci warunków cech okrelonych procesów, jak i sensu stricto badania procesów, w tym destrukcyjnych, obejmuj ich cechy. Prowadzenie wspomnianych bada wie si z nauk o niezawodnoci systemów technicznych, w szerszym sensie, nie tylko opartej na probabilistycznej teorii niezawodnoci, ale take na probabilistyczno-fizycznej teorii niezawodnoci, w rozumieniu [3]. Jest to szerokie zagadnienie, odnosz je do cytowanej bibliografii w [3], 9 pozycje. Zachodzi potrzeba utworzenia jednej spójnej teorii niezawodnoci []. W pracy [] wystpuje take rozdział o integracji nauki o niezawodnoci, o stanie tej integracji, potrzebie i postpach. Zwraca si tu równie uwag na rozwój diagnostyki, nauki o bezpieczestwie, tribologii, nauki o zmczeniu materiałów, eksploatyki, co stanowi dobr przesłank do przyszłej integracji tych poszczególnych dyscyplin w obszarze nauki o niezawodnoci. Do tego obszaru zalicza si równie biologi, w szczególnoci dotyczc niezawodnoci człowieka, neurofizjologi, psychologi, take nauki społeczne, ekonomi, prawo, socjologi, i nie tylko, ekologi i inne. Ta potrzeba jednoci i integracji nauki w ogóle, ley u podstaw filozofii nauki, współczesnej fizyki, wyraona chociaby w [6]. Istotn rol we wspomnianej integracji nauki o niezawodnoci spełnia teoria systemów i cybernetyka, take teoria sterowania i teoria optymalizacji. Oto kilka pozycji bibliografii nawizujcych do wyej poruszanych kwestii w obszarze nauki o niezawodnoci, wskazujcych na moliwoci ich rozwizywania, a jednoczenie wykorzystywania wyników w praktycznym działaniu na rzecz niezawodnoci systemów antropotechnicznych. S to nastpujce prace, wraz z cytowanymi w przywołanych pracach, [7 ]. Problem diagnozowania poredniego (symptomowego) i bezporedniego, permanentnego i okresowego, stanów fizyczno-chemiczno-biologicznych w rozwaanych systemach, w tym problem miar uszkodze elementów tych systemów. Problem uwzgldniania ekonomii relatywnej do tworzenia (wartociowania, projektowania i wytwarzania) obiektów technicznych i do ich eksploatacji, a w tym

13 6! /0 - * 3* 0 3* / / * 8 w szczególnoci do ekonomicznych skutków zawodnoci systemów antropotechnicznych, wraz ze stratami przestojowymi obiektów technicznych i z nimi zwizanych obiektów. Problem skutków ekologicznych zagroe przyrody, przy zawodnych systemach antropotechnicznych. Problem znajomoci zwizków przyczynowo-skutkowych midzy okrelonymi zdarzeniami, zjawiskami i procesami, i modeli tych zwizków, w obszarze niezawodnoci rozwaanych systemów. Znajomo tych zwizków, stanowi klucz do rozwizywania wszystkich problemów niezawodnoci systemów antropotechnicznych i socjoekotechnicznych. To zagadnienie zostało przez autora przedstawione w pracy [4], z przywołaniem 40 pozycji bibliografii. Zwraca si uwag na [6] tu i tam cytowan, a dotyczc m.in., tzw. emergencji, tzn. niemoliwoci wyznaczenia pewnej wielkoci, zwizanej z łcznym skutkiem działajcych razem przyczyn... w sensie Milla. W podsumowaniu pracy [4], m.in. podaje si, e drog do wyjaniania poznania relacji przyczynowo-skutkowych jest ich przyrodnicza (fizyczno-chemiczno-biologiczna) wykładnia.... Podaje si te postpowanie odnonie do tego poznania, i w tym zakresie istotn rol odgrywa logika, take wielowartociowa. Podstaw do rozwoju tej istotnej gałzi, modeli zwizków przyczynowo-skutkowych, nauki, w szczególnoci nauki o niezawodnoci, s dzieła A. Tarskiego, T. Kotarbiskiego, J. M. Bocheskiego, K. R. Poppera, I. Lakatosa, m.in. [ 6], i nie tylko te; w wiatowej literaturze jest dzieł tym podobnych wiele. Generalnie powysze problemy stanowi system problemów zwany superproblemem modelowania rozwaanych relacji niezawodnociowych. Rozwizywaniu wyrónionych problemów słuy tu rozwaane modelowanie, stanowi ono istotne ogniwo w systemie metod i rodków tego rozwizywania. Problemy komputerowej symulacji niezawodnociowej w zasadzie nie wystpuj, pod warunkiem, e dysponujemy stosownymi do potrzeb i wiarygodnymi modelami okrelonych relacji niezawodnociowych. S dostpne programy wspomagajce komputerow symulacj niezawodnociow. Natomiast zachodzi potrzeba tworzenia własnych programów, z wykorzystaniem dostpnych programów jako modułów programów własnych, na podstawie utworzonych algorytmów w okrelonym celu, z uyciem stosownych modeli relacji niezawodnociowych. Mona powiedzie, e problem symulacji relacji niezawodnociowych to problem modelowania tych relacji. Ponadto istnieje problem pozyskania i wyboru modeli relacji niezawodnociowych, z dostpnych ródeł, do okrelonego celu komputerowej symulacji niezawodnociowej. Kolejnym wyrónianym problemem jest problem etyki podmiotów działajcych na rzecz niezawodnoci wzitych pod rozwag systemów. Problemy modelowania rozwaanych relacji, w aspekcie rozpraw doktorskich, to: problem znajomoci podstawowych dyscyplin naukowych odnoszcych si do procesów wystpujcych w antropotechnicznych i socjoekotechnicznych systemach, w szczególnoci do procesów destrukcyjnych w tych systemach, problem umiejtnoci probabilistycznego wyraania si o niezawodnoci rozwaanych systemów, 3

14 4 7!*%7' problem znajomoci podstaw logiki, problem umiejtnoci systemowego traktowania rzeczy. Korzyci z pozyskania stopnia doktora nauk technicznych: wiedza i umiejtno rozwizywania problemów niezawodnoci okrelonych obiektów technicznych w ich projektowaniu, wytwarzaniu i eksploatacji (uytkowaniu, utrzymaniu zdatnoci i likwidacji), oraz problemów niezawodnoci systemów antropotechnicznych, moliwo zatrudnienia w instytucjach o wysokich standardach kształcenia, projektowania, technologii wytwarzania, bezpiecznej i efektywnej, ekonomicznie uzasadnionej, eksploatacji obiektów technicznych. 5 Podsumowanie Z przedstawionego obrazu rozwaanego modelowania i problemów z nim zwizanych mona sformułowa nastpujce wnioski, jednoczenie postulaty, wzgldem potrzeb poznawczych i utylitarnych rozwizywania okrelonych problemów szeroko pojtej niezawodnoci rónych systemów.. Droga ku rozwizaniu wskazanych problemów niezawodnoci okrelonych systemów jest interdyscyplinarna, systemowa i etyczna.. Rozprawy doktorskie, w powyszym zakresie, wyraaj poznanie wybranych fragmentów rzeczywistoci i wskazuj na umiejtno rozwizywania problemów naukowo-technicznych, tu okrelonych. Jeli temu towarzyszy właciwa motywacja, to dalsze postpowanie odnoszce si do procesu doktoryzowania, w okrelonym zakresie, jest moliwe do realizacji, uwzgldniajc przy tym dobre obyczaje w nauce polskiej [7]. Niech cytat, z tej ostatniej pracy [7], stanowi zakoczenie tego referatu, mianowicie: Wolno nauki sprowadza si do wolnoci wyboru problematyki, wolnoci wyboru metody rozwizania, a przede wszystkim wolnoci myli i wolnoci głoszonego słowa. Literatura. Tatarkiewicz W.: Układ poj w filozofii Arystotelesa. PWN Warszawa Penrose R.: Cienie umysłu. Poszukiwanie naukowej teorii wiadomoci. Wyd. Zysk i S-ka, Pozna Czajgucki J.Z.: Synteza teorii niezawodnoci a rozwizywanie problemów zawodnoci obiektów technicznych. Zagadnienia Eksploatacji Maszyn, z. (5), s , Czajgucki J.Z.: Synteza problemów projektowania technicznych systemów energetycznych o wymaganej niezawodnoci. Materiały XXXV Zimowej Szkoły Niezawodnoci Problemy Niezawodnoci Systemów, PAN, Szczyrk 007, Wyd. ITE-PIB, Radom 007, s Czajgucki J.Z.: Zasady modelowania relacji niezawodnociowych. Zagadnienia Eksploatacji Maszyn, z. (37), s. 9-35, Czajgucki J.Z.: Niezawodno spalinowych siłowni okrtowych. Wydawnictwo Morskie, Gdask Czajgucki J.Z., Ziemba S.: Systemowe ujcie trwałoci kadłubów statków morskich. Zagadnienia Eksploatacji Maszyn, z. 3( 95), s , 993

15 6! /0 - * 3* 0 3* / / * 8 8. Czajgucki J.Z.: Synteza teorii niezawodnoci a rozwizywanie problemów zawodnoci obiektów technicznych. Zagadnienia Eksploatacji Maszyn, z. (5), s , Czajgucki J.Z.: The Models of Designed Reliabilities of Technical Elements. Proceedings of The 5 th International Seminar and Workshop EDIProD 006 on Design Methods for Practice, Zielona Góra 006, University of Zielona Góra 006, pp Czajgucki J.Z.: Modelowanie relacji niezawodnociowych w złoonych systemach technicznych w procesie ich projektowania. Materiały III Szkoły Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji, Jurata 999, WAT Warszawa 999, s Czajgucki J.Z.: Filozoficzne aspekty działalnoci na rzecz niezawodnoci obiektów technicznych. Zagadnienia Eksploatacji Maszyn, z. 4(4) 000, s Czajgucki J.Z.: Jedno i integracja nauki o niezawodnoci obiektów technicznych, antropotechnicznych i socjoekotechnicznych. Zagadnienia Eksploatacji Maszyn, z. (6) 00, s Czajgucki J.Z., Ziemba S.: Utrzymanie ruchu a niezawodno i bezpieczestwo statku morskiego. Zagadnienia Eksploatacji Maszyn, z. 4(88) 99, s Czajgucki J.Z.: Relacje przyczynowo-skutkowe w nauce o niezawodnoci systemów socjoekotechnicznych w ujciu filozoficzno-naukowo-przyrodniczym. Materiały XXXIII Zimowej Szkoły Niezawodnoci Metody Bada Przyczyn i Skutków Uszkodze, PAN, Szczyrk 005, Wyd. ITE Radom 005, s Czajgucki J.Z.: Systemowo-interdyscyplinarne ujcie modelowania procesów w obiektach technicznych i ich otoczeniu w aspekcie trwałoci i niezawodnoci tych obiektów. Problemy Eksploatacji, 4/005, s Strawiski W.: Jedno nauki, redukcja, emergencja. Fundacja Aletheia Warszawa Cempel C.: Nowoczesne zagadnienia metodologii i filozofii bada. Wydawnictwo ITE Radom Leszek W., Wojciechowicz B., Zwierzycki W.: Metodologia generowania i ealizacji programów badawczych w nauce o eksploatacji obiektów technicznych. Wydawnictwo ITE Radom Analiza systemowa podstawy i metodologia. Praca zbiorowa pod redakcj W. Findeisena. PWN Warszawa Inynieria diagnostyki maszyn. Praca zbiorowa pod redakcj B. ółtowskiego i C. Cempla., Polskie Towarzystwo Diagnostyki Technicznej. Wydawnictwo Instytutu Technologii Eksploatacji PIB Radom 004. Ekonomiczna wycena rodowiska przyrodniczego. Praca zbiorowa pod redakcj G. Andersona i J. leszyskiego. Wydawnictwo Ekonomia i rodowisko Białystok 996. Tarski A.: Pisma logiczno-filozoficzne. Tom. Prawda. Wydawnictwo Naukowe PWN Warszawa Kotarbiski T.: Elementy teorii poznania, logiki formalnej i metodologii nauk. Ossolineum Wrocław Bocheski J. M.: Logika i filozofia. Wydawnictwo Naukowe PWN Warszawa Popper K. R.: Logika odkrycia naukowego. Wydawnictwo Naukowe PWN Warszawa 00 5

16 7!*%7' 6. Lakatos I.: Pisma z filozofii nauk empirycznych. Wydawnictwo Naukowe PWN Warszawa Polska Akademia Nauk, Komitet Etyki w Nauce, Dobre obyczaje w nauce. Zbiór zasad i wytycznych. Warszawa 00 Streszczenie W artykule sformułowano rozwaane problemy modelowania i symulacji relacji niezawodnociowych. Modelowaniem relacji niezawodnociowych nazywamy identyfikacj systemów, tworzenie modeli relacji niezawodnociowych i weryfikacj tych modeli. Tworzenie modeli relacji niezawodnociowych stanowi mylowe odwzorowanie relacji niezawodnociowych i eksperymentalne odwzorowanie (symulacja i badania) relacji niezawodnociowych. Wskazano drog postpowania w modelowaniu relacji niezawodnociowych według sformułowanych zasad. Wskazano take na uyteczno rozwaanego modelowania relatywnie do tych zasad. Philosophical, Scientific and Dissertation Problems of Modelling and Simulation of Reliability Relations in Multi-faceted Systems Summary In this paper, considered problems of modelling and simulation of reliability relations are formulated. We call modelling of reliability relations the identification of systems, the creation of models of reliability relations and the verification of these models. The creation of models of reliability relations is a mental expression of reliability relations and an experimental expression (simulation and investigation) of reliability relations. The proceeding course in modelling of reliability relations according to formulated basic principles is shown. The utility of considered modelling in relation to these principles is also pointed out. 6

17 Symulacja w Badaniach i Rozwoju Vol., No. /00 Jan FREUNDLICH, Marek PIETRZAKOWSKI Politechnika Warszawska, IPBM, 0-54 Warszawa, ul. Narbutta 84, jan.freundlich@simr.pw.edu.pl, mpi@simr.pw.edu.pl Finite element analysis of delamination effects in piezocomposite laminated plates Introduction In the last few decades, laminated composites with integrated piezoelectric layers have been considered as attractive materials to develop thin walled structural control. Relatively large and alternating in time deformations of piezoelectric actuator layers create severe interfacial shear stresses, which may lead to degradation and finally a failure of the system. The geometrical degradation is introduced as delamination, which refers especially to interlayer glue cracking damage. Development of piezocomposite materials and their technical applications create an important problem of the structural damage detection. In this field often used are techniques based on vibration responses and also the modal frequency approach []. A comprehensive literature review about vibration-based damage identification techniques is given by []. In the paper piezocomposite plates are considered for investigating effects of the local edge delamination. The considered plates are laminates whose lower and upper layers are piezoelectric fiber composites (PFCs) equipped with interdigitated electrodes (IDEs) providing electric field along the fibers. The study is aimed to compare the performance of the structure with healthy and unhealthy actuator layers and recognize the effects of the actuator delamination including the reduction of electro-mechanical coupling in some static and dynamic aspects. ABAQUS Finite Element software package is used for modelling and simulation of the plate behaviour. The FE model of the non-delaminated piezocomposite plate was presented by the authors in [3] where the multilayer translational actuator was analysed. Delamination is assumed as parallel to the plate surface and located along the actuator edges. It is modelled by discontinuity conditions at the interface between layers or degradation of the glue interlayer stiffness. The static characteristics defined as the relation between the input electric field and the transverse displacements of the particularly chosen plate points are calculated for different delamination patterns and compared. A frequency domain damage detection approach is also applied. Changes in the modal frequencies of the active plate after delamination, compared to those of the undamaged system, are numerically investigated and discussed. Description of the examined system A piezocomposite laminated square plate has been numerically analysed. The plate is composed of three layers. The outer piezoelectric fiber composite layers (PFCs) consist of piezoceramic (PZT - lead-zirconate-titanate) fibers aligned in-plane within a polymer-based matrix and show orthotropic behaviour. To improve electromechanical 7

18 8 7 /$-J 9#$"% coupling properties the PFC layers are polarized and supplied electrically along the fibers by using the interdigitated electrode system. It is assumed that the top and bottom PFC layers have the in-plane principal material axes oriented perpendicular to each other being parallel to the plate edges, respectively. The effective material properties of the piezocomposite layers reinforced with PZT-5H fibers are listed in Table [5]. Parameter Table. Effective properties of the piezocomposite material Y GPa Y 33 GPa ν 3 ν 3 G GPa d 3 d 33 pcn - pcn - ρ kg/m 3 Piezocomposite The middle layer is an isotropic aluminium layer of Young s modulus Y = 70 GPa and density ρ = 600 kg/m 3. In the considered case the cross-ply arrangement of the laminated plate and the electrical activation applied assure the hyperbolic paraboloid deflection field. Calculations are performed for the square laminated plate of dimensions mm, whose middle layer is of thickness t = 0.3 mm and the outer PFC layers are both of the same thickness. Two models of the structure in respect of the edge delamination are analysed. In the first model the delamination effect is considered as contact between adjacent layer surfaces. The case with no interlayer interaction within the damaged area is also considered. In the second model relatively thin glue interlayers between the middle aluminium layer and the outer PFC layers are introduced. The glue layer thickness is assumed as t g =0.0 mm and its stiffness and density parameters related to epoxy resin material are Y g =3.79 GPa, ρ g = 60 kg/m 3. The piezoelectric layers are of thickness t = t 3 = 0.3 mm in the model without glue layers while their thickness is slightly reduced in the model with glue layers; t = t 3 = 0.9 mm. 3 Finite element analysis The FE model of the examined plate without glue interlayers is prepared using 3D solid, second order, 0 nodes elements. Elements with piezoelectric properties are used in modelling of the outer layers. There are C3D0E elements from Abaqus element library [4]. Each plate layer consists of a one ply of the finite elements. The plate is fixed in the centre by fixing all degrees of freedom of a few properly chosen middle layer nodes as shown in Fig. 3. Coupling between the outer layers and the middle layer is assured by using tie constrains for adjacent surfaces [4]. In static analysis, a delaminated area is modelled as a contact between the adjacent layer surfaces. The hard contact without friction is assumed [4]. In the plate model without glue interlayers, each layer consists of 70 elements and 58 nodes. In the model with glue interlayers considered, the plate consists of three layers bonded with an epoxy resin film. The outer layers are modelled using piezoelectric, 3D solid, second order, 0 nodes elements. The middle layer and glue interlayers are modelled using continuum shell, first order, 8 nodes elements [4]. The glue interlayers and the middle layer have the common nodes. Interaction between the piezoelectric and glue

19 6 0 * 003! * 0 0!! 0 * * 0 interlayers is assured by using tie constrains for the adjacent surfaces [4]. In this case a delaminated area is characterized by lowering significantly (0 7 times) glue Young s modulus. The piezoelectric outer layer consists of 70 elements and 58 nodes. The middle layer and each glue interlayer are composed of the same number 808 shell elements. The FE mesh of the examined plate is shown in Fig. where fixed nodes and nodes whose displacements are analysed in calculations are indicated. Fig.. FE mesh and analysed nodes of the examined plate 4 Calculation results The calculations are performed for the plate models described above. Three patterns of the delaminated area are examined numerically and the results are compared with those obtained for the non-delaminated plate. The assumed patterns of delamination are as follows: ) one-edge one-side; in this case delamination relates to the top layer and covers a limited in width area which extends along the entire plate edge, ) one-edge two-sides; in this case delamination relates to both the top and bottom layers and exists within a limited rectangular area along the entire plate edge, 3) two-edges oppositesides; in this case delamination relates to the opposite top and bottom layers and covers limited areas of the same width along the perpendicular plate edges. 4. Static calculations In the static analysis relationships between applied electric field and the plate transverse displacement at selected nodes (Fig. ) are determined for the plate models without and with glue interlayers. Numerical experiments are performed on the plate with the particular delamination patterns and also for the healthy plate. 9

20 7 /$-J 9#$"% In the case of the plate model without glue interlayers the plots of the bottom node displacement vs. electric field are show in Fig.. Displacements obtained for the bottom node in the case of one-edge one-side delamination are comparable in value with those obtained for the case with no-delamination. The maximal difference in displacements between non-delaminated and delaminated plate appears in the case of one-edge two-sides delamination Fig.. Displacement of the bottom node vs. electric field depending on the delamination pattern plate without glue interlayers Fig. 3. Variation of the distance between top and bottom nodes vs. electric field. Effect of the delamination pattern plate with glue interlayers 0