Проникать взором внутрь предметов и получать информацию о них на расстоянии — это способности, казалось бы, из области экстрасенсорики. Но если разобраться, то выяснится, что подобными приемами сегодня владеют уже многие ученые. Один из них — старший научный сотрудник кандидат физико-математических наук Ростислав Недин из Южного федерального университета. Со своей командой он развивает теоретические основы неразрушающей диагностики материалов со сложной структурой, опираясь на метод акустического зондирования. Его исследования получили поддержку в виде молодежного гранта Президента РФ. Как совершенствуется загадочная область техники, ставшая обыденной, поинтересовался наш корреспондент.
— Ростислав Дмитриевич, расскажите немного для непосвященных читателей, что представляет собой неразрушающая диагностика материалов со сложной структурой.
— Начну с понятия “неразрушающая диагностика” (НД). В инженерной практике есть устоявшийся термин “неразрушающий контроль”, подразумевающий контроль надежности, прочности и долговечности исследуемого объекта (конструкции, строительного сооружения, элемента, части механизма). Основная задача НД — своевременное обнаружение ослабленных областей конструкции для предотвращения частичного или полного разрушения.
Инженерные методы диагностики можно условно разделить на неразрушающие и разрушающие. Вторые подразумевают полное или частичное разрушение объекта и поэтому не всегда применимы на практике. Для определения свойств функционирующих объектов ответственного назначения (газовые трубопроводы, атомные реакторы, мосты) в режиме реального времени применяют неразрушающие методы диагностики.
Сегодня в различных областях науки и техники все большую популярность приобретают материалы со сложной структурой, например функционально-градиентные композиты (ФГК). Они приходят на смену традиционным многослойным композитным структурам, в которых однородные слои соединены друг с другом, образуя конструкцию с улучшенными механическими и температурными свойствами. Но слоистые материалы обладают серьезными недостатками: часто расслаиваются, растрескиваются. А в ФГК характеристики композита изменяются постепенно, без резких скачков. Это позволяет существенно уменьшить вероятность появления трещин, которые, как правило, возникают в переходах между слоями, повысить структурную целостность объекта.
Первоначально ФГК использовали в качестве термостойких покрытий в сфере космических технологий. Позже спектр их применения стал намного шире: оболочки ядерных реакторов, материалы с градиентным показателем преломления для производства лазерных дисков (CD, DVD, Blue-Ray), пьезоэлектрических и термоэлектрических устройств, медицинских имплантатов, термоэлектронных генераторов, камеры и трубы, находящиеся под высоким давлением, емкости для химических реагентов.
Для сохранения структурной целостности и безопасности композиционных элементов конструкций необходимо периодически проводить их диагностику в течение всего эксплуатационного срока. Определение дефектов и факторов начального состояния — ключевой вопрос во многих сферах, особенно в авиастроении, автомобилестроении, производстве котлов ядерных реакторов. К слову, в авиастроении чаще всего применяют композиты, в состав которых входят алюминий и различные углепластики (например, пластик, армированный стекловолокном или графитовой нитью).
— Почему вы выбрали метод акустического зондирования?
— При мониторинге состояния очень важен выбор метода диагностики, а кроме того, необходимо проведение комплекса экспериментальных исследований. Несмотря на то что в последнее время методики разрушающей дефектоскопии значительно усовершенствованы, все они имеют недостатки, которые в ряде случаев делают их неприменимыми либо технически сложно реализуемыми.
Поэтому и стали актуальными задачи, связанные с созданием и развитием методов неразрушающего контроля, позволяющие исследовать неоднородные свойства объектов, с высокой степенью точности выявлять дефектные зоны и прогнозировать их появление и развитие. Один из наиболее перспективных — акустический метод, из-за его экономичности и относительной простоты реализации. Он основан на возбуждении колебаний определенной частоты и измерении отклика. Мы с коллегами стараемся выяснить параметры материальных неоднородностей (полости, включения, трещины) в исследуемом объекте. Для этого зондируем некоторые места на его поверхности, используя звуковые колебания разной частоты.
Для моделирования реальных экспериментов и проверки их работоспособности дополнительно вводим “зашумление” входных данных, которое соответствует погрешности вибрационного и измерительного оборудования. После разработки новых методик диагностики и решения сопутствующих обратных задач мы всегда проводим большую серию вычислительных экспериментов, по результатам которых анализируем эффективность и спектр применимости разработанных схем реконструкции.
— Вы упомянули коллег. Кто они?
— Большую помощь и поддержку в работе нам оказывает глава нашей научной школы — доктор физико-математических наук, профессор Александр Ованесович Ватульян. Он вместе с нами развивает новые направления в современной механике, связанные с изучением и решением актуальных обратных коэффициентных, геометрических и граничных задач при наличии связанных полей, остаточных напряжений и дефектов.
Основы этого направления заложил его учитель, создавший нашу кафедру теории упругости, академик Иосиф Израилевич Ворович, который внес весомый вклад в исследование различных проблем механики и математического моделирования, включая смешанные контактные статические и динамические задачи, связанные задачи термовязкоупругости в теории оболочек. Все это нашло практическое применение при расчетах конструкций из новых материалов. Мы гордимся, что именем Воровича назван наш Институт математики, механики и компьютерных наук Южного федерального университета.
Работу в рамках проекта я выполняю вместе с доцентом Владимиром Владимировичем Дударевым и студентом-магистрантом Романом Михайловичем Мнухиным. У нас дружная команда, способная решать сложные задачи. Работа разбита на несколько этапов, включая разработку теоретических основ (вывод уравнений и формул, позволяющих моделировать поведение изучаемых материалов), построение алгоритмов и расчетных схем и проведение вычислительных экспериментов.
Мы используем современные пакеты прикладных программ: ANSYS, Maple, Mathematica, анализируем отечественную и западную литературу, а также сведения, которые получили в результате участия и обсуждения результатов на всероссийских и международных конференциях.
Впоследствии наши теоретические методы, возможно, лягут в основу современных эффективных приборов неразрушающего контроля.
Фирюза ЯНЧИЛИНА
Фото предоставлено Р.Нединым
Нет комментариев