Введение к работе
Актуальность исследования. На протяжении многих веков человечество создает технические объекты и работает с ними. Однако, любая техника разрушатся под воздействием окружающей среды и в процессе эксплуатации. Поэтому существует проблема технического сопровождения эксплуатируемой техники. В сегодняшнем постиндустриальном мире, с развитием прикладных технологий и средств вычислительной техники, появилась возможность решения особенно актуальной проблемы - проблемы прогнозирования остаточного ресурса работы эксплуатируемой техники.
Техническое сопровождение эксплуатируемой техники подразумевает под собой определение текущего технического состояния и своевременную замену изношенных элементов. Качественное определение текущего технического состояния сложных технических объектов чаще всего производится с применением специализированных средств технического контроля. Определение момента замены изношенного элемента технического объекта должно основываться на анализе полученной информации о текущем состоянии. Таким образом, проблема технического сопровождения эксплуатируемой техники и проблема прогнозирования остаточного ресурса работы эксплуатируемой техники являются неразрывными и должны рассматриваться и решаться вместе.
В ракетно-космической отрасли, как и в судостроительной, нефтегазовой и др., качественное определение технического состояния элементов сложных технических объектов представляет собой проблему. Существующие на сегодняшний день методы технического неразрушающего контроля (НК) дают весьма приближенное определение текущего технического состояния. Так, при определении дефектов (неоднородностей, несплошностей) в элементах конструкций, в том числе из композитных материалов (КМ), различными методами НК специалисты часто ограничиваются определением места расположения дефектов, при этом не исследуя вопрос о реальной трехмерной форме дефектов и оценивая опасность данного дефекта «практически» на «глаз». Получение более точной информации о форме дефекта, его типе и геометрических параметрах возможно только при использовании одновременно нескольких видов НК. Однако, даже такое комплексное использование нескольких типов НК не позволяет определить трехмерную форму дефектов, и, тем более, произвести достаточно корректное прогнозирование долговечности технического объекта.
На сегодняшний день специалисты, занимающиеся НК, только начинают использовать программно-аппаратные комплексы, реализующие в себе не только цифровую запись снятой информации, но и минимальную программно-математическую обработку. Вопрос об определении трехмерной формы дефектов актуален и стоит перед специалистами, но в используемых программно-аппаратных комплексах не решен, ввиду существующего разрыва между теорией и практикой распознавания образов, обусловленного тем, что
каждая отдельная прикладная задача решается как бы заново, начиная с нуля, исходя из специфических особенностей данной задачи и не используя при этом рекомендации общей теории распознавания образов, а также ввиду практически полного отсутствия теоретических и практических исследований и разработок в областях численного математического моделирования процессов технической диагностики и создания новых математических методов определения трехмерной формы дефектов.
Предпосылками для создания нового подхода по прогнозированию
долговечности композитных элементах конструкций (КЭК) с дефектами,
включающего в себя определение реальной трехмерной геометрии дефектов в
КЭК, являются работы: по технической диагностике - В.В. Клюева,
Н.П.Алешина, О.Н. Будадина, В.П. Вавилова, В.В. Алешина, В.Е. Селезнева,
В.Г. Герасимова, В.В. Сухорукова и др.; по решению обратных задач -
А.Н. Тихонова, В.К. Иванова, А.В. Гончарского, М.М. Лаврентьева,
Ю.М. Мацевитого; по распознаванию и работе с изображениями -
Ю.И. Журавлева, В.Н. Вапника, А.Я. Червоненкиса, Ю.П. Пытьева,
В.А. Сойфера, Л.М. Местецкого, Я.А. Фурмана, И.А. Биргера,
Д.Терзополоуса, Р. Клетте, А. Розенфельда, К. Кисельмана, У. Прэтта и др.; по численному решению трехмерных задач теплопроводности - B.C. Зарубина, Г.Н. Кувыркина, С.С. Кутателадзе, Ю.А. Журавлева, Л.Н. Рыжкова и др; по численно-аналитическому расчету механических напряжений в конструкциях -О. Зенкевича, Д. Норри, Г. Стенга, В.А. Левина, К.М. Зингермана, А.Е. Белкина и др.; по прогнозированию долговечности и состояния конструкций с дефектами при различных условиях эксплуатации -В.В. Болотина, В.В. Васильева, Ю.И. Димитриенко, И.П. Димитриенко, П.А. Зиновьева, А.К. Малмейстера, Б.Е. Победри, Ю.М. Тарнопольского, В.П. Тамужа, Б.Г. Попова, А.А. Ильюшина, Ю.Н. Работнова, В.В. Панасюка, Е.М. Морозова, 3. Хашина, Л.М. Качанова, И.Г. Жигуна и др.
Цели и задачи исследования. Целью данной диссертационной работы является разработка математического метода нахождения трехмерной геометрии дефектов (неоднородностей) в КЭК на основе данных теплового НК (ТНК) и прогнозирования долговечности КЭК с дефектами при различных условиях эксплуатации.
Задачами данного исследования является: 1) разработка математической модели диагностики КЭК с дефектами методами ТНК; 2) постановка трехмерной геометрической обратной задачи теплопроводности (ГОЗТ) и разработка численного метода ее решения; 3) разработка методик распознавания форм и типов трехмерных дефектов в КМ; 4) разработка методики численного решения задач прогнозирования долговечности КЭК с дефектами при различных условиях эксплуатации.
Объект исследования. Объектами исследования являются КЭК с дефектами, процессы ТНК, математические методы решения ГОЗТ и задачи прогнозирования долговечности КЭК с дефектами, трехмерные геометрические модели (ГМ) распознанных дефектов.
Тео ретическая и методологическая основа исследования.
Теоретической основой диссертационного исследования являются: теория теплопроводности в композитных конструкциях, теория распознавания образов, теория решения обратных задач и обратных задач теплопроводности, механика сплошной среды, методы расчета напряженно-деформированного состояния (НДС), механика разрушения и прогнозирования долговечности КМ, метод конечных элементов (МКЭ), методы оптимизации.
Методологической основой диссертационного исследования является использование технических методов ТНК, разработанных В.П. Вавиловым и О.Н. Будадиным для диагностики элементов конструкций с дефектами.
Информационная база исследования. Информационная база исследования состоит из реальных элементов конструкций с дефектами, термограмм данных элементов конструкций, полученных ТНК, также из моделируемых трехмерных ГМ тел с дефектами и их поверхностных температурных полей.
На защиту выносятся следующие положения:
математические модели диагностики и прогнозирования долговечности КЭК с дефектами, включающие в себя: модель диагностики ТНК, метод решения ГОЗТ по распознаванию форм и типов дефектов в КЭК и методику прогнозирования долговечности КЭК с распознанными дефектами;
численный метод решения ГОЗТ по распознаванию трехмерных форм и типов дефектов в КЭК, включающий в себя:
а) методику распознавания плоскостных геометрических параметров
дефектов в КЭК на основе обработки цифровых изображений, полученных ТНК;
б) методику распознавания форм трехмерных дефектов в КЭК;
в) методику распознавания типов трехмерных дефектов;
- методика численного решения задач прогнозирования долговечности КЭК с дефектами на основе конечно-элементного (КЭ) решения задачи линейной теории упругости и использования «химического» критерия длительной прочности.
Научная новизна исследования:
Разработаны математические модели диагностики и прогнозирования долговечности КЭК с дефектами, включающие в себя: модель диагностики ТНК, метод решения ГОЗТ по распознаванию форм и типов дефектов в КЭК и методику прогнозирования долговечности КЭК с распознанными дефектами. По сравнению с существующими математическими методами, применяемыми в задачах диагностики ТНК, рассматриваются ГОЗТ в трехмерной постановке в комплексе с задачами расчета НДС и прогнозирования долговечности КЭК.
Предложен численный метод решения ГОЗТ по распознаванию форм и типов дефектов в КЭК, включающий в себя:
методику распознавания плоскостных геометрических параметров дефектов в КЭК на основе обработки цифровых изображений, полученных ТНК;
методику распознавания форм трехмерных дефектов в КЭК, основывающуюся на численном решении нестационарных задач теплопроводности трехмерных анизотропных тел с дефектами с учетом
переизлучения на внутренних поверхностях дефектов, включающую расчет эффективных тепловых характеристик для слоистых КМ;
- методику распознавания типов трехмерных дефектов.
По сравнению с существующими численными методами решения обратных задач, предложенный метод применим для исследования композитных конструкций с трехмерными дефектами сложной эллипсоидальной формы, приближенной к реальной форме дефектов.
Разработана методика прогнозирования долговечности КЭК с дефектами на основе численного решения трехмерных задач упругости МКЭ для анизотропных тел с расчетом микронапряжений в элементах КМ и прогнозирования долговечности с помощью «химического» критерия длительной прочности. По сравнению с существующими методами прогнозирования долговечности, применен «химический» критерий длительной прочности для трехмерных задач механики конструкций с дефектами, обеспечивающий возможность расчета долговечности для сложных циклических режимов нагружения.
Разработан универсальный программно-математический комплекс (ПМК), в котором реализованы: метод численного решения ГОЗТ по распознаванию форм и типов дефектов в КЭК; методики численного моделирования процесса ТНК анизотропных тел с дефектами и численного решения нестационарных трехмерных задач теплопроводности для анизотропных тел с дефектами, с учетом внутреннего эффекта переизлучения на поверхностях дефекта; методику распознавания типов трехмерных дефектов; алгоритм построения трехмерных ГМ дефектов; методику численного решения задачи линейной теории упругости для КЭК с дефектами; методику прогнозирования долговечности КЭК с дефектами. По сравнению с существующими программными комплексами, разработанный ПМК реализует численное решение ГОЗТ в трехмерной постановке и решение задачи прогнозирования долговечности КЭК с дефектами сложной формы в рамках единых программно-математических средств.
Практическая значимость исследования. Практическая значимость разработанных в диссертационном исследовании и реализованных в ПМК численного метода решения ГОЗТ по распознаванию трехмерных форм и типов дефектов в КЭК и методики прогнозирования на основе «химического» критерия долговечности, заключается в том, что:
1) значительно повышается точность определения формы и местоположения
дефектов;
2) появляется возможность при диагностике ТНК в автоматизированном
режиме распознавать трехмерные формы и типы дефектов;
3) появляется возможность по сравнению с существующем уровнем повысить
точность прогнозирования долговечности КЭК с дефектами при различных
условиях эксплуатации, что, в свою очередь, позволит повысить эффективность
использования КЭК и увеличить их эксплуатационный ресурс.
Разработанный ПМК позволяет проводить распознавание форм и типов дефектов и прогнозирование долговечности для широкого класса
пространственных тел с дефектами, в том числе и из КМ. Использование ПМК в совокупности со средствами ТНК позволит производить качественное распознавание дефектов и прогнозировать долговечность элементов конструкций, что в итоге позволит снизить экономические затраты на техническое сопровождение эксплуатируемых конструкций. Дальнейшая разработка методики математического разрешения дефектов, выходящая за рамки данной диссертационной работы, при включении ее в данный ПМК, позволит повысить выйти на новый качественный уровень в диагностике ТНК и прогнозировании КЭК.
Достоверность результатов. Достоверность результатов
диссертационной работы обусловлена: корректными постановками рассматриваемых задач; применением математически обоснованных методов их решения; сравнением решений, полученных разработанным ПМК, с решениями, полученными аналитически и коммерческими ПМК; значительным объемом численного моделирования; проведением экспериментов по распознаванию форм и типов дефектов с использованием ТНК в двухслойных и ортотропных однослойных элементах оболочек с искусственно созданными дефектами, показавших совпадение форм распознанных и реальных дефектов.
Апробация результатов исследования. Основные результаты диссертационного исследования докладывались на следующих международных, всероссийских, отраслевых и университетских конференциях и семинарах: 1-й и 2-й Международных научно-технических конференциях «Аэрокосмические технологии» (Москва, 2004, 2009); 1-й, 2-й и 3-й Международных научно-технических конференциях «Информационно-математические технологии в экономике, технике и образовании» (Екатеринбург, 2006-2008); IV Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности. Научно-технологические, экономические, юридические, политологические, социальные и международные аспекты» (Санкт-Петербург, 2007); III Международной научной конференции «Ракетно-космическая техника: фундаментальные и прикладные проблемы» (Москва, 2007); XIV Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии СТТ 2008» (Томск, 2008); XV Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов - 2008» (Москва, 2008); 18-й Международной конференции по компьютерной графике и машинному зрению GraphiCon2008 (Москва, 2008); 8-й Международной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (Москва, 2009); 13-й и 14-й Всероссийских конференциях «Математические методы распознавания образов» (Зеленогорск, 2007; Суздаль, 2009); Научно-технической конференции молодых специалистов и студентов «Аэрокосмические технологии - 2006», (Реутов, 2006); V молодежной научно-технической конференции «Взгляд в будущее - 2007» (Санкт-Петербург, 2007); VI научно-технической конференции «Люльевские чтения» (Екатеринбург, 2008); Научно-технической конференции «Состояние, проблемы и перспективы создания корабельных
информационно-управляющих комплексов» (Москва, 2008); Научно-технической конференции «Морские комплексы и системы» (Москва, 2008); Общеуниверситетских научно-технических конференциях «Студенческая научная весна» (Москва, 2005-2008); Научной конференции кафедры «Вычислительная математика и математическая физика» МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2007); Научно-исследовательских семинарах «Актуальные проблемы вычислительной математики и механики» под руководством Ю.И. Димитриенко (Москва, 2004 - 2010).
Апробация диссертационной работы в части ТНК и разработанного численного метода решения ГОЗТ по распознаванию трехмерных форм и типов дефектов в элементах конструкций по изображениям была проведена на базе ОАО «Технологический институт «ВЕМО».
Апробация диссертационной работы в части ТНК, разработанного численного метода решения ГОЗТ по распознаванию трехмерных форм и типов дефектов и исследования вопросов прогнозирования долговечности КЭК проведена на базе ОАО «Центральный научно-исследовательский специального машиностроения».
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 33 работы, среди них - 6 в изданиях рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Личный вклад соискателя. Все исследования, изложенные в диссертационной работе, проведены лично соискателем в процессе научной деятельности.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав основного содержания, выводов и заключения, списка литературы. Общий объем составляет 148 страниц машинописного текста, содержит 16 таблиц и 117 иллюстраций. Библиография включает 110 наименований.
