Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

FORMING OF THE POLYGONAL FRACTAL STRUCTURES WITH NECESSARY CHARACTERISTICS IN 2D-SPACE

Derlugyan P.D. 1 Ivanov V.V. 1 Ivanova I.V. 1 Shishka V.G. 1 Derlugyan F.P. 1 Berezhnoi Y.M. 1
1 FGUE SDTU «ORION»
The problem of forming of some fractal structures in 2D-space was discussed. Results of comparative analyses of its fractal dimensions and some topologic characteristics were presented.
fractal structure
fractal dimension
scarf and carpet of Serpinskii

Детерминистические фрактальные решетки являются представителями фракталов с конечным ветвлением и, как правило, построены из затравки в виде определенного фрагмента 2D-решетки [1]. Геометрическим генератором фрактальных решеток может быть фрагмент 2D дважды периодических полигонных R{Pg}im-структур, в частности, тетрагонных R{4}im-структур, соответствующих 2D-сетке 4444 или ее производным [1]. При этом предполагается, что в вершинах тетрагона могут располагаться атомы, комплексные частицы – молекулы, кластеры.

Процедура формирования генератора G = LN{4}, i, k из квадратного фрагмента тетрагонной R{4}im-структуры определяется законом транскрипции, а процедура получения самоподобных фрактальных решеточных n-структур FN{4},i,k{2-} – итерационным законом, где N – количество тетрагонов {4} в квадратном фрагменте 2D-пространства со стороной b; i – характеристика «ядра» двумерной тетрагонной структуры, которая определяла способ его ветвления (посредством вершин iv или сторон ir тетрагона); k = b-1 – коэффициент самоподобия генерируемой фрактальной FN{4}ik-структуры; {2-} – классификационный параметр, указывающий топологическую размерность инициального объекта (плоскости) и тенденцию изменения размерности при переходе к генератору, n – целочисленный индекс, характеризующий количество применяемых итераций [2-5].

Фрактальная размерность Dim решетки в соответствии с [1] может быть определена из соотношения

Dim = lnN (lnb)–1,

где N – число тетрагонов в генераторе, b – сторона генератора (в отн. ед.).

Тогда, если (b2 – N) – число лакун в квадратном генераторе, имеем следующее соотношение

Dimlac = ln(b2 – N) (lnb)–1 ,

где Dimlac – лакунарная размерность фрактальной решетки, характеризующая возможное дополнение данной фрактальной решетки до 2D тетрагонной R{4}im-структуры. Все FN{4},i,k-структуры отличаются по своим лакунарным спектральным характеристикам, которые можно считать диагностическими [6-15]. Отметим, что каждая из FN{4},i,k -структур формально может быть первым членом гомологического ряда соответствующих структур (рис. 1). Полученные с помощью итерационного модулярного дизайна на тригонной сетке фрактальные решетки с FN{3},i,k-структурами также соотносятся с гомологической серией фрактальных структур вида F(6+2n){3}, I, 1/(3(2+n))1/2 и F(3+3n){3}, I, 1/(2+n) и классической треугольной косынкой Серпинского F3{3},3(r),1/3 [1] (рис. 2).

derlug1.tif

Рис. 1. Изображения первых четырех членов трех пар гомологических рядов детерминистических решеток с генераторами L(1+4n) {4},i, [3(1+2n)]1/2 (А-а), L(1+2n+2n2) {4},i, (1+2n) (А-б), L(14+2n) {4},i, [5(4+n)]1/2 (Б-а), L(12+4n) {4},i, (4+n)] (Б-б), L(1+4n) {4},i, (1+2n) (В-а) и L(1+4n) {4},i, (1+2n) (В-б)

Фрактальные размерности тетрагонных FN{4},i,k и тригонных FN{3},i,k -структур закономерно изменяются с увеличением порядкового номера n в соответствующем гомологическом ряду генераторов внутри интервала значений Dim [1, 2] (рис. 3). Аналогичные закономерности наблюдаются и для лакунарных размерностей указанных структур. Значения локальной и лакунарной размерностей для каждой фрактальной структуры могут быть использованы при определении квазиупорядоченного сайт-распределения определенных фаз по поверхности композиционного покрытия и конфигурационных характеристик межфазных границ. На основе этих данных возможна оценка поверхностной доли твердого смазочного компонента и расчет трибологических свойств покрытия в соответствии с синергической моделью [16].

derlug2.tif

Рис. 2. Изображения первых четырех членов гомологических рядов салфеток Серпинского с генераторами L(4+4n){4}, i, 1/(2+n) (а), L(3+3n){4}, i, 1/(2+n) (б) (слева) и ковров Серпинского с генераторами L(6+2n){3}, i, 1/(3(2+n))1/2 (а), L(4+4n){3}, i, 1/(2+n) (б)

derlug3.tif

Рис. 3. Изменение размерности фрактальных структур вида FN{4}ik{2-} от порядкового номера n в гомологических рядах генераторов салфеток Серпинского L(6+2n){3}, i, 1/(3(2+n))1/2 (1) и L(4+4n){3}, i, 1/(2+n) (2), ковров Серпинского L(4+4n){4}, i, 1/(2+n) (3) и L(3+3n){4}, i, 1/(2+n) (4), решеток L(4+2n){3}, i, 1/(2+n) (5), L(1+4n){3}, i, 1/(3(2+n) (6) и L(4+8n){3}, i, 1/(2+4n) (7)

Отметим, что приведенные выше примеры рядов генераторов фрактальных структур вида FN{4},i,k могут быть существенно дополнены множеством рядов генераторов, отражающих результат клеточной аппроксимации последовательных стадий «роста» различных линий 3-го и 4-го порядка, а также трансцендентных линий, в том числе спиралей и циклоидальных кривых.

Таким образом, в 2D-пространстве могут быть сформированы фрактальные структуры вида FN{4},i,k{2-}. Данные фрактальные структуры характеризуются размерностями практически во всем диапазоне значений в интервале от 1 до 2 и могут быть использованы для интерпретации результатов исследований трибологических свойств поверхности композиционных материалов и покрытий [16-19].

 

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ, соглашение № 14.U01.21.1078.