Грантополучатели РНФ о проектах, направленных на диагностику железнодорожного полотна и разработку двигателей большой тяги

Развитие интеллектуальных методов диагностики становится одним из ключевых направлений современной инженерии, позволяя переходить от разовых проверок к непрерывному мониторингу состояния сложных объектов. Современные исследования включают моделирование распространения упругих волн в конструкциях, анализ их взаимодействия с дефектами, а также разработку алгоритмов обработки сигналов для выявления повреждений на ранних стадиях. Эти подходы дополняются созданием сенсорных систем и применением методов машинного обучения, что повышает точность и дальность обнаружения дефектов. В результате формируется научная основа предиктивной диагностики, обеспечивающей более надежную и безопасную эксплуатацию транспортной инфраструктуры.

В рубрике «Мнение» журнала «Открывай с РНФ» (№ 34) грантополучатели Фонда – Артем Еремин, старший инженер-исследователь лаборатории интеллектуальных инженерных систем Центра инженерных систем и наук Сколтеха, и Илья Келлер, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией нелинейной механики деформируемого твердого тела Института механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук — филиала ПФИЦ УрО РАН, — рассказывают о проектах, направленных на диагностику железнодорожного полотна и разработку двигателей большой тяги. Результаты этих исследований могут найти применение в железнодорожной отрасли и авиации.

Артем Еремин: «Наш проект позволит создать научную базу для систем непрерывной диагностики железнодорожного полотна»

Область диагностики состояния инженерных объектов неразрушающими методами контроля достаточно устоявшаяся. Физические принципы, на которых базируются такие методы, как ультразвук, измерение магнитных или температурных полей, использование рентгеновского излучения, хорошо известны уже много лет. Однако это направление исследований не стоит на месте: миниатюризация сенсорных элементов, развитие вычислительных возможностей микропроцессорных устройств, роботизация и активное внедрение методов машинного обучения позволяют создавать интегрированные системы мониторинга состояния конструкций. Такие системы, во-первых, могут устанавливаться на объект еще в процессе его изготовления и в непрерывном режиме контролировать его состояние, во-вторых, способны повысить уровень автоматизации классических методов неразрушающего контроля, ускоряя сам процесс их проведения и повышая надежность выявления повреждений.

Судя по анализу зарубежных профильных работ, следующий шаг — это предиктивная диагностика. Другими словами, разработка таких аппаратно-программных диагностических комплексов, которые объединяют технологии искусственного интеллекта, передовые методы компьютерного моделирования, гибридные сенсорно-актуаторные сети и, например, методы нелинейной акустики. Их интеграция в ответственные объекты железнодорожной инфраструктуры и ключевые технологические узлы высокоскоростного подвижного состава позволит перейти от простого обнаружения макроскопических дефектов к предсказанию возникновения повреждений на самых ранних стадиях их развития. Это должно значительно повысить эксплуатационную надежность и безопасность оборудования.

Наш совместный с индийскими коллегами проект направлен на комплексное изучение бегущих упругих волн в рельсах на железных дорогах России и Индии. Это поможет создавать системы непрерывной диагностики железнодорожного полотна. В диагностируемый объект — в частности, в участок рельсового полотна — посылают специальные механические колебания — упругие волны (по сути, разновидность звука или ультразвука), которые распространяются по материалу. Эти волны называют бегущими, потому что они движутся по конструкции на большие расстояния. Если внутри рельса есть трещина, коррозия или другой дефект, то волна отразится от него, рассеется или поменяет свои характеристики. По этим изменениям можно определить наличие и даже местоположение повреждения. При этом исследования в нашей лаборатории в первую очередь сосредоточены на компьютерном моделировании и экспериментальном изучении процессов возбуждения, распространения и взаимодействия нормальных волн с характерными дефектами в рельсах, с учетом их механических и геометрических особенностей. Индийская команда займется созданием стационарных преобразователей для рельсовых путей, а также изучит влияние подрельсового основания на волновые процессы.

Какие задачи стоят перед нами? Во-первых, с помощью компьютерного моделирования мы исследуем особенности возбуждения и распространения нормальных упругих волн вдоль рельса. В частности, хотим понять, как геометрия и материал рельса влияют на скорость и затухание волн, а также разработать алгоритмы для выделения вклада отдельных нормальных мод в отклик датчика, установленного на поверхности рельса.

Во-вторых, мы изучим, как износ рельса — изменение его профиля — и наличие типичных дефектов, например усталостных трещин, влияют на характеристики нормальных волн. Решение этой задачи позволит понять, как именно дефекты рассеивают ультразвук и можно ли зафиксировать это рассеяние датчиками, установленными на большом расстоянии от повреждения.

Наконец, планируем развивать методы, позволяющие по характеристикам нормальных волн, проходящих через рельс, определять его упругие свойства. Это даст возможность оценивать не только наличие дефектов, но и общее механическое состояние металла.

За год реализации проекта мы разработали и протестировали трехмерные модели распространения ультразвуковых волн в широко используемых рельсах типа Р65. Эти модели позволили исследовать влияние геометрии и свойств материала на характеристики волновых процессов и повысить точность их численного моделирования.

Параллельно группа проводила лабораторные опыты на стенде со сканирующим лазерным виброметром и образцами рельсов. Важно, что экспериментальные измерения подтверждают теоретические расчеты.

Мы надеемся, что реализация проекта позволит создать научную базу для систем, способных в реальном времени контролировать состояние протяженных участков железнодорожных рельсов. Это, как представляется, будет особенно важно для высокоскоростных железнодорожных магистралей, которые в ближайшем будущем появятся в нашей стране.

Илья Келлер: «Сегодня конкурентоспособность авиационных двигателей во многом определяется способностью прогнозировать их ресурс на стадии проектирования»

Сегодня авиационная отрасль переживает этап серьезных технологических изменений. Одним из ключевых мировых трендов остается повышение эффективности авиационной техники: современные самолеты должны потреблять меньше топлива, обеспечивать большую дальность полета и при этом сохранять высокий уровень надежности. Для достижения этих целей разрабатываются двигатели нового поколения с увеличенной тягой, более высокими рабочими температурами и улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Современный турбореактивный авиационный двигатель — сложнейшее инженерное устройство. Методы цифрового моделирования и прогнозирования ресурса двигателей позволяют существенно ускорить расчеты, сопровождающие их проектирование, дать более связную картину происходящих мультифизических процессов, опираться на данные современных экспериментальных методов. И, конечно, это — яркий показатель культуры инженерной деятельности.

Разработка двигателей высокой тяги — новая для России задача. Традиционно в нашей стране для увеличения тяги увеличивали число силовых агрегатов средней тяги, что дополнительно повышало надежность самолета. Однако это не соответствует современным требованиям эффективности работы двигателей и экономичности. Рост тяги с неизбежностью ведет к увеличению коэффициента сжатия воздуха компрессором высокого давления и повышению рабочих температур. Также возрастают нагрузки на ответственные детали, работа которых связана с нерегулярными полетными циклами нагружения.

Увеличение времени жизни авиационного двигателя — критически важный вопрос, в особенности для новых изделий. Современные двигатели служат приблизительно 20 тысяч часов, а это более двух лет непрерывной работы, и эта цифра растет. Для увеличения усталостной долговечности ответственные детали компрессора и турбины высокого давления подвергают поверхностной технологической обработке, модифицируя материал и наводя сжимающие остаточные напряжения. За время эксплуатации в материале успевают протекать химические и другие процессы, приводящие к развитию микроповреждений и трещин. Агрессивные вещества — продукты сгорания авиационного топлива и микрочастицы морской соли из атмосферы — плавятся при температурах 800–900 °C. Они проникают в материал, вызывая обеднение поверхностного слоя легирующими элементами, а слой продуктов коррозии буквально раздирает его.

В результате перед инженерами встают новые вызовы, связанные с разработкой жаропрочных материалов, защитой деталей от разрушения и более точной оценкой их ресурса в реальных условиях эксплуатации. Именно эти задачи лежат в основе моих исследований, которые выполняются в тесной связи с задачами, решаемыми в рамках программ разработки новых двигателей в АО «ОДК-Авиадвигатель».

Наша работа посвящена двум взаимосвязанным направлениям. Первое касается оценки ресурса деталей перспективных авиационных двигателей при сложных режимах нагружения, возникающих во время полета. В условиях эксплуатации двигатель подвергается нерегулярным нагрузкам: взлет, набор высоты, крейсерский режим, снижение, посадка сопровождаются кратковременными перегрузками и выдержками под нагрузкой. Существующие инженерные методики не способны корректно учитывать такие особенности. В рамках проекта была разработана эволюционная модель накопления усталостных повреждений, которая позволяет учитывать влияние истории нагружения на срок службы детали. Это особенно важно для деталей компрессора высокого давления и других ответственных элементов двигателя.

Мы показали, что огрубление полетного цикла нагрузок или распределения остаточных напряжений в материале приводит к слишком оптимистичным оценкам срока службы конструкции. Наша модель учитывает ряд важных факторов, влияющих на усталостное разрушение, и подходит для разных металлических сплавов. По сравнению с традиционными инженерными методами она позволяет точнее прогнозировать долговечность деталей.

Второе направление исследований связано с высокотемпературной коррозией материалов авиационных двигателей. Для изучения этого явления мы разработали математическую модель, которая позволяет одновременно учитывать химические процессы, перенос веществ внутри материала и возникающие механические напряжения. Исследования показали, что все эти процессы тесно связаны между собой и должны рассматриваться совместно.

Вместе с Центром наукоемких химических технологий и физико-химических исследований Пермского национального исследовательского политехнического университета мы выполним экспериментальное исследование высокотемпературной солевой коррозии жаропрочных сплавов, применяемых для создаваемого двигателя большой тяги. Полученные данные будут использованы для моделирования процессов, что позволит создать инструмент для прогнозирования поведения материалов в условиях эксплуатации. Это даст возможность более обоснованно выбирать материалы, оценивать срок службы деталей и учитывать влияние различных технологий поверхностной обработки еще на этапе проектирования.

Наши исследования соответствуют современным тенденциям машиностроения, где все большее значение приобретают цифровые методы проектирования и математическое моделирование для прогнозирования ресурса техники. В конечном итоге это способствует созданию более надежных, долговечных и эффективных авиационных двигателей нового поколения.

***

Интервью вошли в специальную рубрику «Мнение» журнала «Открывай с РНФ» (№ 34).

В новом выпуске грантополучатели РНФ представили ход и результаты проектов в области транспорта.