IDENTIFICATION OF DEFECTS IN A COATING WEDGE BASED ON ULTRASONIC NON-DESTRUCTIVE TESTING METHODS AND CONVOLUTIONAL NEURAL NETWORKS

A. N. Soloviev; Соловьев А. Н.; B. V. Sobol; Соболь Б. В.; P. V. Vasiliev; Васильев П. В.; A. V. Senichev; Сеничев А. В.; A. I. Novikova; Новикова А. И.

doi:10.15593/perm.mech/2023.1.11

ИДЕНТИФИКАЦИЯ ДЕФЕКТОВ В КЛИНЕ С ПОКРЫТИЕМ НА ОСНОВЕ МЕТОДОВ УЛЬТРАЗВУКОВОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ И СВЕРТОЧНЫХ НЕЙРОННЫХ СЕТЕЙ

Авторы: Соловьев А.Н.¹, Соболь Б.В.¹, Васильев П.В.¹, Сеничев А.В.¹, Новикова А.И.¹
Учреждения:
1. Донской государственный технический университет
Выпуск: № 1 (2023)
Страницы: 111-124
Раздел: Статьи
URL: https://ered.pstu.ru/index.php/mechanics/article/view/3760
DOI: https://doi.org/10.15593/perm.mech/2023.1.11
Цитировать

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Статистика

Аннотация

Рассматривается идентификация трещиноподобного дефекта в клине, усиленного покрыти- ем на основе ультразвукового неразрушающего контроля. Авторы предлагают подход идентифи- кации дефекта с последующим определением его геометрических параметров. Подход основан на теневом методе ультразвукового неразрушающего контроля в сочетании с технологиями глубокого машинного обучения. Инспектируется клиновидная область на наличие внутреннего дефекта. На одной грани клина расположен источник ультразвуковых колебаний, на противопо- ложной грани – приемник. Проходя через покрытие и тело клина, часть сигнала отражается от неоднородностей и дефектов, которые могут присутствовать в нем. Сигнал, достигший противо- положной грани клина, считывается приемником. Полученные данные обрабатываются нейросе- тевой моделью, которая прогнозирует наличие или отсутствие внутреннего дефекта, и в случае его наличия определяет геометрические параметры, такие как размер и положение. Построена конечно-элементная модель распространения ультразвуковой волны внутри клина. Применяются специальные демпфирующие слои, благодаря которым существенно сни- жается влияние паразитных отражений сигнала и его дальнейшее распространение в тело кли- на. На основе построенной модели реализован теневой метод ультразвукового сканирования. Данный метод предполагает, что на одной стороне клина устанавливаются возбуждающие сиг- нал устройства, а на противоположной стороне – принимающие. С помощью системы распреде- ленных вычислений проведен ряд численных экспериментов для различных комбинаций геомет- рических параметров клина и дефекта. На основе полученных данных построена и обучена ней- росетевая модель, способная идентифицировать дефект и определять его характеристики. На вход модели поступают спектрограммы считанного сигнала, а на выходе получаются значения, характеризующие дефект.

Ключевые слова

ультразвуковой неразрушающий контроль, сверточные нейронные сети, тонкое покрытие, упругий клин, трещина, дефектоскопия, машинное обучение, искусственные нейронные сети,, идентификация дефектов, конечно-элементное моделирование.

Полный текст

Эксплуатация деталей машин и конструкций про-исходит в условиях возникновения коррозии, больших нагрузок, повышенного изнашивания, когда концентра-торы напряжения сосредоточены в поверхностных сло-ях изделия. Передовые технологии покрытия изделий тонкими накладками призваны повысить коррозионную стойкость, твёрдость, увеличивают надёжность и их эксплуатационные сроки за счет создания на поверхно-сти остаточных напряжений сжатия. Кроме этого мето-да, повысить износостойкость и увеличить прочность возможно за счет создания соответствующих техноло-гий обработки или использования композиций сплавов. Указанные способы позволяют сохранить пластич-ность и устойчивость к внутренним трещинообразным включениям, повышают сроки эксплуатации изделий и снижают расходы металла. Тонкое покрытие представляет собой слой матери-ала, нанесенного на поверхность детали. Толщина по-крытия может достигать от десятых долей до сотен микрометров. Материалами покрытий могут быть лаки, краски, металлы, оксиды, полимеры. Выбор материала покрытия и его толщины зависит от назначения детали и покрытия, технологии ее изготовления и условий экс-плуатации и строго регламентируется. Нередко методы машинного обучения применяются в области дефектоскопии или смежных областях науки, например, в работе [1] авторы проводят исследование композитных материалов с дефектами. Из-за наличия дефектов в композитах их эксплуатационные свойства могут ухудшаться. В каждой точке исследуемого объ-екта проводится ультразвуковое сканирование. Коле-бания оцифровываются и затем из них извлекаются ха-рактеристики, содержащие информацию об объекте контроля. После проведения анализа данных происхо-дит классификация полученных характеристик с при-менением искусственных нейронных сетей (ИНС). В результате авторы получают изображение в области дефекта, полученное с помощью специально обученной ИНС, которое отражает характер и степень распро-странения дефекта. Примененный подход четко иден-тифицирует область повреждения, и полученное изоб-ражение совпадает с визуальными наблюдениями. В работе [2] авторы применяют техники машинного обучения для работы в области ультразвуковых иссле-дований в медицине. Центральной идеей работы явля-ется раскрытие аспектов понимания влияния методоло-гий глубокого обучения в сфере визуализации ультра-звуковых исследований. Авторы применяют методы машинного обучения для решения задач формирования ультразвукового луча, восстановления структуриро-ванного сигнала, подавления помех и повышения раз-решения визуализации. В работе [3] предложен отличающийся от ранее из-вестных алгоритм многопараметрической идентифика-ции дефектов в стержневых конструкциях. Новизна ал-горитма заключается в том, что процедура идентифи-кации дефектов разделена на два этапа: на первом эта-пе происходит локация дефекта, а на втором – оценка степени поврежденности дефекта. В качестве дополни-тельной информацией к решению задачи реконструк-ции дефектов выступает набор собственных частот и форм колебаний исследуемого объекта. Анализ форм колебаний позволяет решить задачу первого этапа, по-сле чего строится аналитическая или конечно-элементная модель конструкции с дефектами и с помо-щью прямых расчетов решается задача второго этапа. В работе также приведен пример расчета параметров дефекта в упругом консольном стержне на основе экс-перимента в конечно-элементном комплексе. В работе [4] применяется один из методов неразру-шающего контроля, а именно метод акустической эмис-сии, который является весьма перспективным методом оценки композиционных материалов. Для надежного автоматического контроля повреждений с помощью пленочных датчиков поливинилиденфторида (PVDF) важно идентифицировать сигналы акустической эмис-сии, связанные со структурой волокон, при наличии шума. В проведенных экспериментах композиты из многослойного армированного стекловолокна (GFRP) были изготовлены несколькими различными способами. Сигналы акустической эмиссии были сняты с поверх-ности, покрытой PVDF-пленкой, во время статической нагрузки на растяжение. Сигналы акустической эмис-сии классифицировались с использованием искусствен-ной нейронной сети. При этом результаты показывают, что различные механизмы разрушения в композитах могут быть классифицированы с применением аппара-та искусственных нейронных сетей. В работе [5] авторы исследуют обрушения, про-изошедшие во время раскопок туннелей в тонких и чрезвычайно тонких слоистых породах горной породы на гидроэлектростанции Wudongde в Китае. Для про-гнозирования риска и глубины обрушения необходим надежный метод, который и предлагают авторы рабо-ты. Однако как теория, так и практика показывают, что один-единственный критерий не может точно предска-зать глубину обрушения. В этом исследовании с ис-пользованием ИНС был исследован метод интеллекту-ального прогнозирования. На основе теоретического и статистического анализа выбраны и использованы шесть входных параметров (глубина покрытия, отно-шение основных малых напряжений, индекс геологиче-ской силы, метод выемки грунта, сила поддержки и ориентация породы). Полученные из туннелей данные на гидроэлектростанции Wudongde, а именно сорок пять учебных образцов и шесть пробных образцов бы-ли использованы в обучении модели. Структурные па-раметры и начальные веса искусственной нейронной сети были оптимизированы с помощью генетического алгоритма. Затем обученная модель была использова-на для прогнозирования глубины обрушения несколь-ких участков раскопок. Прогнозы показывают хорошее соответствие с измерениями на участках. В работе [18] проводится численная оценка вынуж-денных колебаний консольной балки с поперечной по-верхностной трещиной, равномерно распространяю-щейся по ширине балки. Основная цель авторов заклю-чается в установлении связи нелинейных резонансов с наличием, расположением и глубиной трещины. Для этого были рассмотрены качественные характеристики, а именно: искажения фазового портрета, суб- и супер-гармонические компоненты в спектре Фурье и изогну-тая форма модальной линии. Кроме того, были измере-ны количественные параметры, такие как эксцентриси-тет и экскурсия орбиты, а также амплитуда гармоник в спектре. Затем была предложена процедура идентифи-кации, основанная на пересечении построенных по-верхностей, которая позволила определить структур-ное повреждение. В работе [19] представлен метод обнаружения множественных трещин в балочных конструкциях пу-тем анализа статического изгиба. Возникшее повре-ждение приводит к изменению жесткости балки. Это вызывает локализованную сингулярность, которая мо-жет быть идентифицирована с помощью вейвлет-анализа отклика смещения. Существование и располо-жение трещин можно определить по положению пиков в непрерывном вейвлет-преобразовании. Для этого ста-тический профиль балок анализируется с помощью вейвлет-преобразований. Рассматриваются балки при некоторых идеальных граничных условиях и заданной нагрузке. Авторами была смоделирована форма проги-ба балки с открытыми и усталостными трещинами. Вы-числен прогиб балки с трещинами в закрытой форме для нескольких случаев нагрузок, размеров и располо-жения трещин, и разработано явное выражение для ин-декса поврежденности. Численные результаты показы-вают, что метод может обнаруживать трещины не-большой глубины и быть применим при наличии шума в измерениях. В работе [20] рассматривается регуляризация гра-диента деформации в механике сплошных поврежде-ний. Представлен анализ напряжений и деформаций для численных экспериментов с помощью техники, ос-нованной на методе Галеркина. Моделирование пока-зывает, что нелокальность, придаваемая модели регу-ляризацией градиента деформации, эффективно решает проблему зависимости от сетки, характерную для стан-дартных континуальных моделей повреждений, и поз-воляет достичь сходимости вплоть до режимов дефор-мации, для которых наблюдается эквивалентная отри-цательная жесткость. Более того, авторы показывают случай, когда в результате повреждения развиваются новые микроструктуры и, следовательно, более высо-кие значения модулей второго градиента. Для иллю-страции предполагается простое монотонное правило эволюции для роста вторых градиентных модулей. Та-ким образом, для этого простого правила моделирова-ние показывает развитие большей диффузной зоны по-вреждения, размер которой можно контролировать. В работе [21] авторы рассматривают поведение зернистых материалов при повреждении на основе ме-ханических концепций, используя энергетический и вариационный подход. Микромеханика зерен учитыва-ется с помощью уравнения Пиолы и объективных кине-матических дескрипторов, полученных для относи-тельного смещения пар зерен в зернистых материалах, подвергающихся конечным деформациям. На основе вариационного подхода получены условия типа Кару-ша – Кюн–Таккера, обеспечивающие уравнения эво-люции повреждений пар зерен, и уравнения Эйлера – Лагранжа для эволюции относительного смещения пар зерен. Применимость модели проиллюстрирована на численных примерах для конкретной формы функций упругой энергии и диссипации пары зерен. Результаты показывают интересную эволюцию анизотропии, вы-званную повреждением, включая возникновение типа хирального поведения и формирование зон конечной локализации. В работе [22] представлена вариационная модель для анализа эволюции трещин. Метод рассматривает разрывы, которые развиваются в соответствии с прин-ципами механики когезионного разрушения. Представ-лена новая схема изогеометрической интерполяции. Также предложен метод отслеживания разрыва, осно-ванный на локальном искажении параметризации гео-метрии, полученной при определении положения кон-трольных точек изогеометрической интерполяции как решение подходящей задачи минимизации. В работе [23] рассмотрены основные физические закономерности процессов термопластической дефор-мации и накопления усталостных повреждений в поли-кристаллических конструкционных сплавах при раз-личных режимах циклического термомеханического нагружения. Модель состоит из трех взаимосвязанных частей: соотношений, определяющих пластическое поведение материала, учитывающих его зависимость от процесса разрушения; эволюционных уравнений, описывающих кинетику накопления повреждений; кри-терия прочности поврежденного материала. В качестве определяющих соотношений используется модель пла-стичности, основанная на понятии поверхности текуче-сти и принципе ортогональности вектора пластической деформации к поверхности текучести. Критерий проч-ности поврежденного материала основан на достиже-нии критического значения степени повреждения. Пред-ставлены результаты численного моделирования цик-лической термопластической деформации и накопления усталостных повреждений. В работе [24] авторы представляют модель, в кото-рой движения двух групп балок, составляющих панто-графический лист, при описании двумя независимыми полями перемещений позволяют моделировать точки начала разрушения при испытании на осевое растяже-ние. Энергия деформации моделируется как функция этих независимых перемещений в виде аддитивного квадратичного члена энергии деформации, зависящего от квадратичной нормы их разности. Численные моде-лирования показали, что наиболее напряженными уз-лами являются те, где наблюдаются первые разрывы. В работе [25] исследуется распространение упру-гих волн в одномерной микроморфной среде, характе-ризуемой двумя внутренними переменными. Уравнения динамики выводятся в соответствии с двумя различны-ми подходами, а именно с использованием: (i) баланса линейного импульса и неравенства Клаузиуса – Дюэма, и (ii) предполагаемого функционала Лагранжа (вклю-чая гироскопическую связь) вместе с вариационным принципом. Получено дисперсионное соотношение и показана возможность возникновения полосовых про-межутков в таких микроструктурированных материа-лах. Также проведены некоторые численные моделиро-вания для того, чтобы подчеркнуть дисперсионную природу исследуемого материала. В работе [26] автор делает обзор в области вычис-лительных стратегий, разработанных для анализа об-ратных задач. Начиная с определения обратной задачи и фокусируясь на трудностях, присущих их решению, представлены и обсуждены различные вычислительные инструменты, разработанные для их решения. Это поз-воляет осознанно выбрать наиболее эффективные стра-тегии в отношении решаемой проблемы. Кратко описы-ваются некоторые обратные задачи и подробно обсуж-дается их численное решение. Это позволяет выявить основные проблемы, которые необходимо преодолеть, и достижимую точность. Наконец, рассматриваются новые и сложные обратные задачи, подробно обсуж-даются некоторые современные и классические резуль-таты. В работе [27] авторы рассматривают обратную за-дачу восстановления осевой жесткости поврежденного стержня на основе знания конечного числа резонанс-ных частот свободных осевых колебаний в условиях закрепленного конца. Повреждение описывается как уменьшение осевой жесткости, а неповрежденная и по-врежденная конфигурации стержня предполагаются симметричными. Метод основан на многократном определении квазиизоспектральных операторов стерж-ня. Процедура реконструкции является явной, она реа-лизована численно и протестирована для идентифика-ции одиночных и множественных локализованных по-вреждений. Оценивается и обсуждается чувствитель-ность метода к количеству используемых частот, фор-ме, интенсивности и расположению повреждений, а также к наличию шума в данных. Реакции метаматериалов обычно моделируются обобщенными теориями на основе сплошной среды. Присущая им структура приводит к необходимости теорий более высокого порядка, и, особенно в механике повреждений, такое обобщение трудно получить. В работе [28] авторы берут за основу механику Лагранжа для получения основных уравнений обобщенной меха-ники повреждений для метаматериалов. Кроме того, благодаря использованию вспомогательных перемен-ных, вариационная формулировка наделяется первой скоростью переменной повреждения, которая отсут-ствует в стандартных подходах. Представленный фор-мализм действий со вспомогательными переменными приводит непосредственно к слабой форме. Авторы реализуют подход на основе метода конечных элемен-тов с использованием вычислительной платформы с открытым исходным кодом FEniCS и решают эту сла-бую форму, чтобы численно получить деформацию и определить повреждения. В работе [29] рассматривается стальная труба, ослабленная несквозной поверхностной трещиной по-луэллиптической формы. Трещина имеет продольную ориентацию и располагается на наружной поверхности трубы. Труба испытывает действие внутреннего давле-ния. При помощи CAE-системы ANSYS решается задача механики разрушения. Для точек вдоль фронта дефекта исследуется распределение значений коэффициента интенсивности напряжений, вычисленных при помощи инвариантного J-интеграла. Расчет значений J-интеграла выполняется методом интегрирования по области. Проводится сравнение полученных в работе результатов с данными других авторов, полученных для труб и цилиндрических сосудов давления, ослаб-ленных несквозными трещинами. Результаты численно-го моделирования хорошо согласуются с известными решениями. Применение регулярной сетки с большим числом конечных элементов вдоль фронта дефекта су-щественно повышает точность решения задачи механи-ки разрушения. Исследование распределения парамет-ров механики разрушения позволило выявить наличие краевого эффекта вблизи выхода фронта трещины на поверхность трубы. В [30] предложен приближенный метод оценки вли-яния дефектов на статическую прочность композитных фланцев для высоконагруженных корпусных деталей и узлов авиационной техники из полимерных композитов, основанный на современных методах численного мо-делирования. Определены основные виды дефектов в слоистых композитах, проведен обзор основных работ, посвященных исследованию вопросов прочности слои-стых конструкций с дефектами. С помощью двумерной осесимметричной модели в среде конечно-элементного анализа ANSYS проведено численное моделирование механического поведения фланца из стеклопластика с основными типами дефектов при силовом нагружении. Оценка прочности конструкции с дефектом проводи-лась с запасом прочности. Запас статической прочно-сти рассматриваемого фланца оценивался по компо-нентам напряжений с использованием критерия макси-мального напряжения. Модель позволяет анализиро-вать как нормальные напряжения в плоскости слоя, так и межслойные растягивающие и сдвиговые напряжения. В настоящей работе авторы проводят решение за-дачи идентификации трещиноподобного дефекта в клине, усиленного покрытием на основе ультразвуково-го неразрушающего контроля. Построена конечно-элемент¬ная модель распространения ультразвуковой волны внутри клина. На основе построенной модели реализован теневой метод ультразвукового сканирова-ния. Проведен ряд численных экспериментов для раз-личных комбинаций геометрических параметров клина и дефекта. На основе полученных данных построена нейросетевая модель, способная идентифицировать дефект и определять его характеристики.

Об авторах