| 16. |
Аннотация |
Активное освоение стратегически важных территорий Арктики и Крайнего Севера обусловливает необходимость в разработке новых подходов и новых технологий для решения транспортных задач в условиях низких температур и бездорожья, а также развития надежной и безопасной инфраструктуры в области добычи полезных ископаемых. Однако сложные природно-климатические условия Арктики и Крайнего Севера в значительной степени снижают эксплуатационную надежность и ресурс технических объектов, что может приводить к серьезным авариям и экономическим последствиям. Поставка новых запасных частей часто является невыполнимой задачей в связи с удаленностью объектов. Разрушение отдельных узлов требует своевременного ремонта или изготовления новых деталей. Однако в настоящее время наиболее предпочтительны для получения изделий и отдельных деталей транспортных комплексов, вездеходов, механизмов, ответственных элементов конструкций северного исполнения стали аддитивные технологии 3D-печати. Из аддитивных технологий следует выделить электродуговую наплавку и методом прямого лазерного выращивания из порошков, позволяющие в короткие сроки получить изделие с необходимыми показателями качества из металлов и сплавов, а также восстановить изношенные детали. Данный факт обусловливает необходимость в решении задач по созданию новых систем диагностики и оценки структурного состояния материалов полученных 3D-печатью, работающих при экстремально низких температурах. Разработанные методики экспресс контроля вязко-хрупкого перехода, физико-механических характеристик и остаточных напряжений проработаны в том числе в рамках проекта РНФ 2019 г. на материалах, полученных классическими методами (механическая обработка из проката). В связи с этим необходима разработка принципиально новых методов и методик неразрушающего контроля, способных учитывать структурные особенности материалов, полученных 3D-печатью электродуговой наплавкой. При этом, ключевой проблемой является оперативное получения физико-механических характеристик и оценки структурного состояния материала без нарушения целостности конструкции как на этапе изготовления, так и при эксплуатации. Сравнительный анализ современных методов неразрушающего контроля показывает, что к числу наиболее перспективных методов контроля структурного состояния материала на стадиях эксплуатации до появления макродефектов относятся методы физической акустики и акустическая эмиссия (АЭ). Причем для надежного прогнозирования структурного состояния материала необходимо применение как пассивных, так и активных методов неразрушающего контроля, в частности за счет регистрации акустической эмиссии и ультразвукового контроля отдельных наиболее нагруженных участков конструкции, транспортных и вспомогательных средств. Разработка новых диагностических параметров в методе АЭ и ультразвукового контроля открывает большие перспективы в использовании этих методов как в области чисто научных исследований структурных изменений в материалах различного класса, полученных методами 3D печати, так и в области прикладных исследований, направленных на разработку новых подходов к неразрушающему контролю и прогнозированию несущей способности материалов и конструкций при низких температурах, а также оценки их физико-механических характеристик. Таким образом, остается нерешенной важная научная проблема, связанная с диагностикой и прогнозированием структурного состояния материалов полученных 3D-печатью в процессе их эксплуатации в условиях экстремально-низких температур. В рамках проекта решение указанной научной проблемы планируется путем разработки научных основ и доработки программно-аппаратных средств оценки структурного состояния и механизмов разрушения хладостойких металлов (на базе разработанной в проекта 2019 г. АИС НРК-3) полученных методом 3D печати с использованием методов неразрушающего контроля и подходов искусственного интеллекта. В частности, будет разработан и создан "цифровой" паспорт материала, полученного методом 3D-печати, способного постоянно корректироваться по мере прохождения жизненного цикла. В проекте запланировано проведение широкого круга многофакторных экспериментальных исследований механизмов разрушения и физико-механических характеристик хладостойких материалов, полученных на основе 3D-печати в широком диапазоне пониженных температур при различных внешних воздействиях с исследованием эволюции структуры металлов. Таким образом, в проекте планируется проведение оценки структурного состояния материалов полученных 3D-печатью с привлечением методов оптической и электронной микроскопии и цифровой обработки изображений, а также фрактального анализа. Будут проведены механические испытания напечатанных образцов при низких температурах на растяжение и усталостную прочность с применением методов физической акустики и параметров акустической эмиссии для выявления диагностических признаков. При этом также будут применены технологии электронной микроскопии и методы количественной металлографии на разных стадиях испытания и для оценки механизмов разрушения деталей. В качестве информативных источников о протекании процесса 3D-печати будут использованы многомерные данные, полученные с датчиков акустической эмиссии (АЭ). В качестве информативных источников о структурном состоянии материалов в процессе их эксплуатации будут использованы данные, полученные от ультразвуковых датчиков, датчиков акустической эмиссии. Оценка параметров распространения и рассеивания упругих волн, изменение параметров упругих волн в ходе структурной эволюции материала, зарождения и развития микротрещин, учет влияния температуры, данные тензометрии будет способствовать построению модели, описывающей поведение материала конструкции в процессе ее изготовления и эксплуатации. Все полученные экспериментальные данные будут использованы для создания цифрового паспорта металла полученного 3D-печатью. Учитывая объем и разнородность экспериментальных данных будут применены подходы искусственного интеллекта, в частности будут разработаны ансамбли нейросетевых моделей для классификации механизмов разрушения и прогнозирования остаточного ресурса материала. Для реализации данного подхода планируется применение сверточных и рекуррентных искусственных нейронных сетей (LSTM), способных работать с многомерными данными и учитывать предысторию состояния материала, на этапах изготовления и эксплуатации. Все полученные нейросетевые модели будут объединены в рамках единой цифровой среды, реализуемой в виде разрабатываемого программно-аппаратного комплекса. Доработанный по результатам натурной апробации на напечатанных деталях программно-аппаратный комплекс будет работать в виде системы диагностики структурного состояния материалов в условиях низких температур. Апробация предложенных технологий будет осуществлена на имеющимся у научного коллектива полноразмерном мобильном робототехническом комплексе. В ходе апробации будет произведена замена элемента ведущего моста робототехничсекого комплекса на детали, полученные методом 3D-печати, при этом будет произведена количественная оценка структурного состояния материала детали с использованием разработанного программно-аппаратного комплекса на специальном полигоне в условиях, приближенных к реальным.
Таким образом научная новизна проекта заключается в разработке научно-обоснованных методов диагностики (с использованием подходов машинного обучения, нелинейной динамики и нейроморфных вычислений) структурного состояния и механизмов разрушения материалов и изделий, полученных методом 3D-печати . Актуальность и значимость полученных результатов обусловливается настоятельной необходимостью решения указанной научной проблемы, а разработанные методы и алгоритмы будут способствовать развитию технологии 3D печати хладостойкими материалами и созданию нового поколения систем диагностики структурного состояния материалов. Это позволит в условиях ограниченной связанности территорий и отсутствия соответствующего кадрового состава проводить диагностику структурного состояния напечатанных материалов, что несомненно будет способствовать повышению темпов освоения регионов Арктики и Крайнего Севера и предотвращению техногенных катастроф. Таким образом выбранная тематика заметно расширит область применения разработанного АИС НРК-3 в рамках проекта 2019 года, успешно реализованного в виде аппаратно-программного комплекса и прошедшего широкую апробацию научным коллективом. |