МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ И РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ СЛОЖНОЙ ГЕОМЕТРИИ И НЕОДНОРОДНОЙ СТРУКТУРЫ С УЧЕТОМ ДЕФЕКТОВ

Актуальность темы. В настоящий момент в эксплуатации нахо­ дится большое количество сооружений и конструкций, отработавших продолжительное время. Существует острая необходимость в инструмен­ тах мониторинга и контроля таких объектов. В современном строительстве большое внимание уделяется прочности и устойчивости, а значит, и на­ дежности строительных конструкций. Неразрушающий контроль (НК) позволяет проводить мониторинг объектов контроля (ОК) без выведения их из работы или демонтажа. Целью использования НК в строительстве является надежное выявление опасных дефектов. Выбор тех или иных методов НК определяется эффективностью обнаружения такого брака. Одними из наиболее часто применяемых техник НК являются ультразвуко­ вые и магнитные, которые характеризуются высокой чувствительностью, мобильностью и экологичностью. За последнее десятилетие в области ис­ кусственных нейронных сетей (ИНС) и их аппаратной поддержки было совершено множество открытий. Сейчас мы можем комбинировать клас­ сические техники НК и уникальные возможности нейросетевого аппарата. Это позволяет создать более точные и универсальные программно-аппарат­ ные комплексы для осуществления мониторинга состояния строительных конструкций и их элементов. Наряду с этим, развитие аналитических ме­ тодов оценки критического состояния в области строительной механики сохраняет свою актуальность. Анализ напряжённо-деформированного со­ стояния позволяет более точно проводить оценку ресурсных характеристик и прогнозировать возможный выход из строя объектов контроля. Таким об­ разом, комплексный подход, применяемый в данной работе и сочетающий в себе как классические методы, так и современные подходы, является ак­ туальным и перспективным. Степень разработанности темы. В области строительной меха­ ники. Разработку критериев разрушения тел с трещинами можно связать с работами А.А. Гриффитса. В работах Д.Р. Ирвина Е. Орована и И.Л. Шимелевича было впервые введено понятие коэффициента интенсивности напряжений, что давало численную оценку энергии, способствующей ро­ сту трещин. В области математического моделирования и применения искусственных нейронных сетей. Над теорией искусственных нейронных сетей (ИНС) работали следующие зарубежные исследователи: J. Hopfield, J. McCulloch, W. Pitts, D. Hebb, N. Rochester L. Holland F. Rosenblatt, P. Werbos, K. Fukushima, B. Widrow, M. Hoff, T. Kohonen, J. Anderson, D. Rumelhart, M. Minsky. Над развитием теории и алгоритмов распределён­ ных вычислений работали: Афанасьев А.П., Воеводин В.В., Гергель В.П., Ильин В.А., Соколинский Л.Б., Schoch J. Hupp J., Lenstra A. Menes M., Becker D. Sterling T., Lawson J., Guidi D. Kesnov C., Pande B. и др. В разработке методов решения задач для упругих тел с трещина­ ми следует отметить работы Александрова В.М., Попова Г.Я., Сметанина Б.И., Соболя Б.В. и др. Формулировки обратных задач, методы их реше­ ния описаны в работах: О.М. Алифанова, А.О. Ватульяна, В.Б. Гласко, В.Г. Романова, А.А. Самарского, А.Н. Соловьева, А. С. Алексеева, М.М. Лаврентьева, А.Н. Тихонова, С.И. Кабанихина, H.D. Bui, V. Isakov и др. Целью данной работы являются разработка моделей НК, для ре­ шения задач идентификации трещиноподобных дефектов в различных строительных конструкциях с последующей оценкой их критического со­ стояния. Разработанные модели строятся на основе комбинации метода конечных элементов (МКЭ) и ИНС, а также на численном решении задач акустики, строительной механики и магнитостатики, а также чис­ ленно-аналитическом решении задачи строительной механики для трубы с внутренней трещиной, усиленной тонким гибким покрытием. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следу­ ющие задачи: В области строительной механики: – Установить адекватность модели для тонкого гибкого покрытия трубы и диапазон возможного применения соответствующих гра­ ничных условий. – Решить обратные геометрические задачи строительной механики идентификации радиальной трещины в трубе с покрытием при им­ пульсном и ультразвуковом воздействии на ОК. – Решить прямую задачу строительной механики о равновесной радиальной внутренней трещине в сечении трубы, усиленной внут­ ренним покрытием. – Исследовать коэффициент интенсивности напряжений вблизи вер­ шин трещины под влиянием различных физических и геометриче­ ских факторов. В области математического моделирования: – Разработать модель ультразвукового метода неразрушающего кон­ троля (МНК) на основе возбуждения и приёма сигналов. – Разработать модель МНК на основе магнитных измерений задачи магнитостатики. – Применить ИНС подход в задачах идентификации дефектов, ос­ нованный на решении обратных задач строительной механики и магнитостатики. В области численных методов: – Разработать метод преобразования аналоговой информации, полу­ ченной с поверхности ОК, в формат, применяемый для работы с ИНС. – Разработать методы проведения распределенных вычислений для формирования обучающего набора данных, с целью применения подхода, объединяющего ИНС и НК. – Построить архитектуры ИНС, применяемые в процессе решения обратных задач идентификации дефектов. В области создания комплексов программ: – Разработать программное средство распределенных вычислений для проведения анализа и установления границ применения мате­ матической модели внешнего тонкого покрытия полого цилиндра на основе пакета FlexPDE. – Разработать аналитическое программное средство, предназначен­ ное для анализа и нахождения рациональных конфигураций струк­ тур ИНС в рамках поставленных задач идентификации дефектов. – Разработать программный комплекс, реализующий модели НК. Научная новизна: В области строительной механики: – Доказана адекватность специальных граничных условий, модели­ рующих гибкое покрытие трубы, и диапазон их применения. – Успешно решены обратные геометрические задачи строительной механики идентификации радиальной трещины в трубе с покрыти­ ем при импульсном и ультразвуковом воздействии на ОК. – Разработано решение новой прямой задачи строительной механики о равновесной радиальной внутренней трещине в сечении трубы, усиленной внутренним покрытием. – Получены закономерности изменения коэффициентов интенсивно­ сти напряжений в окрестностях вершины трещины для различных физических и геометрических факторов. В области математического моделирования: – Выполнено математическое моделирование ультразвукового МНК на основе возбуждения и приёма сигналов. – Проведено математическое моделирование МНК на основе магнит­ ных измерений задачи магнитостатики. – Применен ИНС подход в задачах идентификации дефектов, осно­ ванный на решении обратных задач строительной механики. В области численных методов: – Предложен метод преобразования аналоговой информации, полу­ ченной с поверхности ОК, в формат, применяемый для работы с ИНС. – Разработаны методы проведения распределенных вычислений для формирования обучающего набора данных, с целью применения подхода, объединяющего ИНС и НК. – Построены рациональные структуры ИНС, применяемые в процес­ се решения обратных задач идентификации дефектов. В области создания комплексов программ: – Разработано программное средство распределенных вычислений для проведения анализа и установления границ применения мате­ матической модели внешнего тонкого покрытия полого цилиндра на основе пакета FlexPDE. – Предложено аналитическое программное средство, предназначен­ ное для анализа и нахождения рациональных конфигураций струк­ тур ИНС в рамках поставленных задач идентификации дефектов. – Создан программный комплекс, реализующий модели НК. Практическая значимость работы обуславливается широким рас­ пространением элементов конструкций с покрытиями, в том числе труб, в строительстве и во многих сферах и отраслях промышленности, а также необходимостью осуществления мониторинга их состояния. В работе пред­ ложены модели НК и их программные реализации, которые могут быть внедрены в устройства идентификации дефектов и их анализа.