CC BY
19
УДК 539.3/620.179.163
ЦИФРОВОЙ ДВОЙНИК ДЛЯ НАСТРОЙКИ АЛГОРИТМА ТЕСТИРОВАНИЯ И ОБУЧЕНИЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ НЕСУЩЕЙ КОНСТРУКЦИИ
Седов Андрей Владимирович
Доктор технических наук, Южно-Российский государственный политехнический университет имени М.И. Платова
Пушкарева Ольга Олеговна
Магистрант, Южно-Российский государственный политехнический
университет имени М.И. Платова
Kulikova058@mail.ru
Современные системы оперативного контроля и дефектоскопии сложных, ответственных механических устройств и конструкций подразумевают использование интеллектуальных технологий обработки информации: распознавания образов, кластеризации, нейросетевых и нечетких систем. Данные технологии для обучения требуют наличие представительных выборок реакций объектов на тестовые воздействия при различных вариантах выявляемых дефектов. Зачастую получить их путем реализации физических экспериментов является экономически затратно и в ряде случаев просто невозможно. В этих случаях для обучения используют точные распределенные динамические математические и программные модели объектов - цифровые двойники. С их помощью получение обучающих выборок реакций для произвольных типов объектов и различных тестовых воздействий значительно упрощается. Расширяется возможности выявления дефектов. В статье приводится вариант построения цифрового двойника пластиковой балочной конструкции с дефектом в виде полости различного размера и локализации. Модель реализована в среде Ansys. Показала гибкость работы и близость результатов к физическому эксперименту.
Ключевые слова: неразрушающая дефектоскопия, несущая механическая конструкция, цифровой двойник, обучающая выборка, динамическая распределенная модель, метод конечных элементов.
DIGITAL TWIN FOR SETTING UP THE TESTING ALGORITHM AND TRAINING OF THE INTELLIGENT SYSTEM FOR NON-DESTRUCTIVE FLAW DETECTION OF THE SUPPORTING STRUCTURE
Sedov Andrey Vladimirovich
Doctor of Technical Sciences, M.I. Platov South Russian State Polytechnic University Pushkareva Olga Olegovna
Master's student, M.I. Platov South Russian State Polytechnic University Kulikova058@mail.ru
Modern systems of operational control and flaw detection of complex, critical mechanical devices and structures imply the use of intelligent information processing technologies: pattern recognition, clustering, neural network and fuzzy systems. These technologies for learning require the presence of representative samples of graphs of object responses to test actions for various types of detected defects. Often, it is economically expensive to obtain them by implementing physical experiments and in some
cases it is simply impossible. In these cases, numerical distributed dynamic mathematical and software models of objects - digital twins - are used for training. With their help, obtaining training samples of reactions for arbitrary types of objects and various test actions is greatly simplified. Expands the ability to detect defects. The article presents a variant of constructing a digital twin of a plastic beam structure with a defect in the form of a cavity of various sizes and localization. The model is implemented in the Ansys environment. It showed the flexibility of the work and the closeness of the results to the physical experiment.
Key words: non-destructive flaw detection, supporting mechanical structure, digital twin, training sample, dynamic distributed model, finite element method.
Разработка обучаемых систем неразрушающего контроля состояния, дефектоскопии и оценки прочностного ресурса узлов и деталей инженерных конструкций ответственного назначения является ключевой задачей для повышения надежности их эксплуатации и предотвращения аварийных ситуаций [1-3].
В настоящее время для дефектоскопии механических конструкций, механизмов достаточно часто применяют системы с
волновыми низкочастотным или
ультразвуковым воздействием [1]. По реакции конструкции на данные воздействия судят о ее состоянии, наличии дефекта в форме коррозии, трещин, пустот или инородных заполнений.
В данной статье рассматривается балочная конструкция, выполненная из пластичного материала и имеющая форму, представленную на рис.1.
Рис.1. Моделируемая балочная конструкция
Тестовое ударное воздействие ¥ формируется на левом крае конструкции, а сигнал отклика в форме волновых колебаний снимается датчиками в точках 1,2 и 3. Дефектом является возможная незаполненная полость внутри конструкции, которая моделируется отверстиями различного диаметра 0.
Целью построения цифрового двойника является получение большого числа графиков сигнала отклика конструкции на воздействие ¥ при различных типах дефектов в виде полости различного диаметра и локализации.
Цифровой двойник реализуется в среде моделирования Дпбуб на языке описания ДРОЬ [4]. При этом с математической точки зрения реализуется динамическое моделирование с использованием метода конечных элементов (МКЭ) [4,5]. Исходным объектом для применения мКэ является материальное тело - балка, которое разбивается на части - конечные элементы (рис. 2). В результате разбивки создаётся сетка из границ элементов. Точки пересечения этих границ образуют узлы. Ансамбль из всех конечных элементов и узлов является основной конечно-элементной моделью деформируемого тела.
Рис.2. Конечно-элементное разбиение балочной конструкции
Реализуется динамическая задача деформирования и на основании принципа Даламбера используют дифференциальные
матричные уравнения элементов, вида [5]
для каждого из
[ "id V } +[C V }. +[ * I V } ={F},
(1)
где [K]e -матрица жесткости элемента, состоящая из коэффициентов жесткости; {и}е -вектор узловых перемещений элемента; [С]е-матрица демпфирования элемента, зависящая от коэффициента вязкого демпфирования Л ; [т]е -матрица масс элемента, зависящая от
плотности материала элемента р; {F}e -вектор узловых сил элемента.
Решение системы (1) позволяет получить графики функций отклика -перемещений в заданных точках конструкции во времени (рис.3).
Рис.3. График перемещения VALU в точке 1 конструкции (м) во времени TIME (с)
Полученный цифровой двойник позволил автоматизировать получение обучающих выборок функций отклика при различном расположении дефекта - полости, различных ее диаметрах, величин заглубления d. Появилась возможность оптимизации параметров тестового неразрушающего воздействие ¥ как по величине, так и по месту приложения. Аналогично, оптимизация точек съема сигналов отклика по месту расположения.
Использование цифрового двойника для объекта диагностики позволило
реализовать адаптивно априорно
настраиваемую систему диагностики и дефектоскопии механических несущих конструкций изменяемых типов. Реализовать систему более тонко настраиваемую и обучаемую с элементами интеллектуального анализа данных. Сравнение откликов, полученных на физических моделях с откликами реализуемыми цифровым двойником показало их качественную близость.
ЛИТЕРАТУРА
1. Глаговский Б.А., Московенко И.Б. Низкочастотные акустические методы контроля в машиностроении. JL: Машиностроение, 1977. - 208 с.
2. Бочарова О.В., Седов А.В., Анджикович И.Е., Калинчук В.В. Об одном методе идентификации дефектов, основанном на контроле структуры и особенностей поверхностных волновых полей // Дефектоскопия, 2016, № 7, С. 21-28.
3. Седов А.В. Моделирование объектов с дискретно-распределенными параметрами: декомпозиционный подход. М.: Наука, 2010. 438 с.
4. Федорова Н.Н., Вальгер С.А., Данилов М.Н., Захарова Ю.В. Основы работы в ANSYS 17. М.: ДМК Пресс, 2017. 210 с.
5. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1979. 392 С.
