На что и замахнулись нынешние «миллионеры» из КубГУ

По итогам минувшего года коллектив ученых Института математики, механики и информатики (ИММИ) внес в копилку Кубанского госуниверситета наибольший вклад. Представленный им научный проект «Разработка расчетно-экспериментальных методов диагностики конструкций и определения и мониторинга деградации свойств материалов на основе систем возбуждения и регистрации бегущих волн» (только не пугайтесь, сейчас нам все объяснят популярно! – авт.) по результатам конкурсного отбора среди вузов, подведомственных Министерству науки и высшего образования РФ, получил финансирование в размере 17,5 млн рублей (только на 2020 год). Благодаря этой господдержке на базе ИММИ создана и ведет научные исследования лаборатория волновой диагностики.

О сути проекта и ноу-хау, о его значении для мировой практики и роли математики в России мы говорим с ведущим научным сотрудником лаборатории волновой диагностики ИММИ и ее заведующим, кандидатом физико-математических наук Артемом Ереминым.

К слову, в свои 33 года Артем Еремин успел с красным дипломом окончить факультет компьютерных технологий и прикладной математики КубГУ, не один раз стажировался в Германии и уже более десяти лет работает в области ультразвукового мониторинга состояния конструкций в составе научной школы под руководством докторов физико-математических наук профессоров Евгения и Натальи Глушковых.

Хорошая поддержка

- Артем Александрович, прежде чем поговорим о проекте, расскажите, что это был за конкурс?

- В 2019 году Минобрнауки России объявило конкурс на выполнение научных проектов коллективами «молодежных» лабораторий в вузах в рамках государственного задания в сфере науки. Критерии были жесткие, тематика проектов проходила экспертизу в РАН. Было подано более тысячи заявок по широкому спектру областей из вузов всей страны, в том числе десять заявок от нашего университета. В итоге поддержку получил 81 проект, и в этом числе проект нашего коллектива ИММИ. Всего нас почти тридцать человек: восемнадцать научных работников – от инженера-исследователя до главного научного сотрудника – и около 10 лаборантов-студентов с первого по пятый курс. Научное руководство осуществляют ученые с мировым именем в области моделирования ультразвуковых волновых процессов в средах со сложной структурой Евгений Викторович и Наталья Вилениновна Глушковы. Проект рассчитан до 2023 года с возможностью дальнейшего продления.

- Ну а теперь давайте о том, чем так ценен предложенный вашим коллективом проект, на что нацелен?

- Идея нашей лаборатории – создание фундаментальных основ интегрированных систем мониторинга состояния конструкции с помощью ультразвуковых бегущих волн. Если по-простому, представьте нервную систему человека, благодаря которой, прикоснувшись к горячему предмету, мы тут же отдергиваем руку. Или, чувствуя холод, теплее одеваемся. Мы хотим наделить такой “нервной системой” инженерную конструкцию и в автоматизированном режиме диагностировать ее состояние, предупреждая «болезнь», если она появилась. И в качестве диагностирующего «средства» мы используем бегущие упругие волны. Физически они близки к тому ультразвуку, который используется в медицинской диагностике, но распространяются в первую очередь не вглубь материала, а на большие расстояния вдоль границ объекта.

Такая концепция известна в мире как активный или ультразвуковой мониторинг состояния конструкций (от английского Structural Health Monitoring (SHM)). Фактически SHM-система – это сложный аппаратно-программный комплекс. Во-первых, это сеть миниатюрных пьезоэлементов и различных сенсоров (например, оптоволоконных), интегрированная в конструкцию (допустим, на крыло самолета, или на элемент трубопровода, или большой цистерны для химических реактивов). Во-вторых, это блоки сбора и обработки регистрируемых данных. И на вершине – специальное программное обеспечение для диагностики состояния конструкции на основе информации, поступающей от сети датчиков.

Использование SHM-технологий делает объект «умным» - он наделяется функцией непрерывной самодиагностики. Речь идет о постоянном и, что важно, автоматизированном контроле больших площадей конструкции в процессе ее эксплуатации с использованием зондирующих бегущих волн.

Появился ли в конструкции дефект, ухудшились ли прочностные свойства материала – вся информация будет в регистрируемых сигналах, приносимых этими волнами. А вот для ее извлечения и правильной интерпретации (то есть заключения о том, насколько материал изношен, какой дефект возник, где он находится, насколько опасен) нужны математические и компьютерные модели волновых процессов, разрабатываемые нашим коллективом.

- Таким образом, внедрение SHM-технологий дает возможность контролировать состояние объектов и конструкций, выход из строя или внезапное разрушение которых может привести к серьезным экономическим потерям или даже к катастрофическим последствиям?

- Именно так. К этим объектам предъявляются высокие требования в отношении надежности и безопасности в процессе эксплуатации, поэтому появление в конструкциях дефектов должно быть диагностировано на ранних стадиях, задолго до возможного их разрушения. На что и нацелен наш проект.

Стоит помнить, кто царица

- Выходит, можно все высчитать с помощью математических уравнений?

- Проводимые нами исследования направлены на развитие фундаментальных основ активных SHM-технологий, поэтому мы в первую очередь занимаемся математической проработкой вопроса, компьютерным моделированием волновой динамики инженерных конструкций, то есть фактически наш инструмент – это голова, руки и компьютеры для программной реализации того, что мы придумали.

Ультразвуковые волновые процессы можно просчитать и на основе этого понимать, как они протекают внутри любого тела или конструкции. Наши научные руководители с 80-х годов занимаются созданием и совершенствованием математических и компьютерных моделей волновой динамики упругих тел, причем в приложении к разным областям. Это и сейсмическое зондирование земли, то есть поиск полезных ископаемых. Это и ультразвуковая диагностика биологических тканей – допустим, диагностирование изменений в костной ткани (того же остеопороза). Это и создание специальных фильтров на поверхностных акустических волнах – они применяется в сотовой связи, широко используются в качестве химических и биологических датчиков. Это в том числе и задача ультразвуковой диагностики конструкций, которой посвящен наш проект.

- То есть за математикой будущее?

- Если разобраться, и прошлое тоже. В 1835 году, когда российское государство искало выход из сложившегося кризиса после череды подорвавших его наполеоновских войн, царь Николай I среди других стратегических задач принял решение реформировать образование с уклоном в математику. Был принят новый университетский устав, заложивший основы фундаментальной академической подготовки и закреплявший существенную роль математики в образовании. Считается, что автор предложения, начальник III отделения Собственной Е.И.В. канцелярии граф Бенкендорф, объяснял свою позицию тем, что математика – это царица наук и что «люди, воспитанные с математическим складом ума, способны понять и осознать все, что угодно.., но обратное – невозможно». Любопытно, что данный подход использовался до хрущевских времен практически в неизменном виде. Отсюда уклон российской и советской науки в фундаментальность, что составляет ее силу по сегодняшний день.

На переднем крае

-Получается, за рубежом уже есть разработки, которые решают те же задачи, что и ваш проект?

- Достижения последних лет в разработке и производстве активных сенсоров, микропроцессорных устройств, беспроводной передаче данных и т.п. вызвали рост практической реализации систем диагностики и мониторинга на бегущих волнах, есть лабораторные прототипы. Эти исследования ведутся наиболее успешно в США, Германии, Франции, Китае и Южной Корее. Мы в струе текущих исследований, но идем своим путем, опираясь на фундаментальный математический аппарат, развиваемый нашими крупными учеными. Это позволяет более детально и точно прорабатывать исследуемую проблемную область, при этом не увеличивая, а сокращая затраты.

Но мы не развиваемся в вакууме. Задел и опыт решения задач в области волновой диагностики накоплен в том числе и благодаря тесному международному сотрудничеству с общепризнанными центрами развития SHM-технологий.

К примеру, больше десяти лет назад на одной из конференций в Германии Евгений Викторович и Наталья Вилениновна познакомились с профессором Рольфом Ламерингом из Гамбурга, который тоже работал над этой темой. Оказалось, что у немецких коллег отличная экспериментальная база, но слабая теория, в чем сильны наши ученые. Завязалось сотрудничество. Как раз тогда я и некоторые ученики Глушковых под их руководством вплотную занялись данной тематикой.

А сегодня мои коллеги по лаборатории совместно с немецкими учеными из Бохума, Франкфурта и Берлина участвуют в написании заявки на совместный исследовательский проект, который нацелен на проработку путей трансфера этих технологий к реальным инженерным конструкциям.

- Такесли решения уже существуют, зачем еще что-то изобретать?

- Все-таки появление универсальных и готовых к промышленному внедрению ультразвуковых SHM-технологий – это вопрос среднесрочной перспективы. Пока же, скорее, речь идет о прототипах SHM-систем. Для их развития и доработки очень важно детально изучить волновые процессы в диагностируемой конструкции. Кроме того, надо понимать, как ультразвуковые сигналы взаимодействуют с тем или иным дефектом, характерным для материала конструкции. И вот для этого необходим очень интенсивный, всесторонний параметрический анализ всех этих процессов. А его не провести без надежных и, что главное, эффективных математических и компьютерных моделей волновой динамики. Грубо говоря, без той «математики», проработкой которой и занимается наш коллектив.

Взять, например, расслоение – очень опасный дефект в композитном материале. Он практически незаметен глазу, но его развитие быстро приводит к разрушению конструкции. Так вот, Евгений Викторович и Наталья Вилениновна сначала предсказали теоретически, а потом и подтвердили на экспериментах, что для такого повреждения есть особые, резонансные частоты колебаний. Если мы на этих частотах облучим дефект ультразвуком, он начинает «звенеть». Эти частоты свои для каждого конкретного расслоения – как отпечатки пальцев! Конечно, мы хотим попробовать использовать это явление для совершенствования ультразвуковых SHM-систем. И таких примеров я могу привести не один.

Работаем!

- На какой стадии находится реализация проекта?

- Программа-максимум – это разработка готового прототипа предложенной нами системы ультразвуковой диагностики состояния инженерных конструкций, но это впереди.

Сейчас же мы находимся на этапе фундаментальной проработки и концептуализации. И у нас уже есть прототип такой системы для алюминия. На металлоконструкции мы можем показать, что способны локализовать дефект, определить степень деградации прочностных свойств материала. Эта разработка в числе других научно-технических работ молодых ученых нашего университета демонстрировалась председателю правительства РФ Михаилу Владимировичу Мишустину во время его визита в КубГУ 1 сентября прошлого года.

Кстати, проверка получаемых результатов – это отдельная задача проекта, предусмотренная госзаданием. Данные работы мы будем проводить на оборудовании центра коллективного пользования (ЦКП) «Исследования материалов и веществ» Пермского филиала Уральского отделения РАН, а также Объединенного центра научно-технического оборудования РАН.

Сейчас идет второй год проекта, и мы изучаем аспекты использования пленочных пьезодатчиков в качестве источников колебаний и сенсоров для образцов из композитных материалов. Следующий год будет нацелен на более детальное моделирование сложных композитных материалов, которые применяются в авиационной индустрии, ветрогенерации и т.д.

В последний год проекта мы собираемся моделировать рассеяние волн на дефектах, типичных для конструкций. И наша задача – выявить критерии или индикаторы, которые бы позволили эти дефекты диагностировать, классифицировать, описать их тип и т.д. Также займемся рассмотрением конструкций более сложной геометрии. То есть за четыре года проекта мы планируем на основе фундаментального математического аппарата внести свой, хочется надеяться, существенный вклад в развитие ультразвуковых SHM-технологий.

Результаты наших исследований мы активно публикуем в авторитетных зарубежных и отечественных тематических рецензируемых научных журналах. Сейчас как раз обсуждаем написание коллективной монографии на английском языке, собираемся ее выпустить в издательстве «Шпрингер». Есть все предпосылки для того, чтобынаша работа получила мировое признание.

- Насколько оцениваете возможность добиться цели?

- Во-первых, те предварительные исследования, которые мы уже проводили, показывают, что волны с дефектами прекрасно взаимодействуют, дефекты определяются, на этом наш оптимизм и основан. Мы в состоянии довести наш проект до успешного завершения.