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.

В КубГУ заработали миллионы, опираясь на… бегущие волны
За работой в лаборатории волновой диагностики Института математики, механики и информатики (ИММИ) КубГУ

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.

В КубГУ заработали миллионы, опираясь на… бегущие волны
С коллегами из научного центра мониторинга и прогноза состояния конструкций Пекинского университета аэронавтики и космонавтики

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.

Кстати, теоретическую базу для ультразвуковых SHM-технологий заложили именно советские ученые. Так, профессор И.А. Викторов еще в 1966 году в известной монографии показал потенциальную возможность использования ультразвуковых бегущих волн для неразрушающего контроля и диагностики конструкций. На Западе исследования в области SHM интенсивно проводятся последние четверть века, потому что внедрение SHM поможет существенно экономить средства. По оценкам, для авиационной техники – это, как минимум 5% от направляемых на ее техобслуживание. В масштабах отрасли это очень большие затраты.
В КубГУ заработали миллионы, опираясь на… бегущие волны
В лаборатории университета Сорбонны

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.

В КубГУ заработали миллионы, опираясь на… бегущие волны
Молодые научные работники лаборатории волновой диагностики ИММИ КубГУ у демонстратора-прототипа системы ультразвукового мониторинга конструкций из металлов

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.

Читайте также

Первая полоса

Последние новости

Город Люди Ситуация

«Кто будет петь, если все будут спать?»

Депутат Гордумы Игорь Азаров предложил установить памятник Виктору Цою в Краснодаре. Нельзя сказать, чтобы известие об этом кого-либо сильно удивило. Память легендарного музыканта увековечили во многих городах нашей необъятной, но всё же несколько неожиданно и приятно, что теперь и на юге может появиться место скульптуре лидера «Кино».
Вячеслав Рыжков

Краснодар «обезглавлен», или Почему Первышов уходит в Госдуму

Несмотря на слухи, циркулировавшие среди политологов и журналистов с прошлого декабря, новость о выдвижении главы Краснодара в депутаты Государственной думы РФ стала громом среди ясного неба и сразу оживила нынешнюю политическую кампанию.

Бизнес

Корпоративный договор и устав – основа основ эффективного партнерства

Практика показывает, что большинство российских предпринимателей при создании партнерских взаимоотношений незаслуженно недооценивают важность корпоративного договора и устава. Многие не знают и не понимают отличие корпоративного договора от устава, а к подготовке самого устава подходят посредственно – скачивают первый удачный экземпляр из сети интернет или принимают без правок и замечаний подготовленный устав от фирмы, которая занимается сопровождением регистрации будущего предприятия.

Город Люди Ситуация

Годовщина карантина на Кубани

31 марта 2020 года губернатор Вениамин Кондратьев выступил с видеообращением к гражданам, в котором просил оставаться дома и быть терпеливыми. «Югополис» пытается вспомнить, как общество прошло все стадии принятия неизбежного.
Екатерина Пономарёва, Егор Харитонов
Город Люди Weekend

Всякому охота увидеть «Федота…»

Как звучит переложенная в рэп-частушки пьеса Леонида Филатова «Про Федота-стрельца, удалого молодца» и кто играет То-Чаво-Не-может-быть в новом спектакле Дворца искусств «Премьера» и Молодежного театра, оценил «Югополис».

Город Люди Ситуация

Начальник УМВД по Краснодару Дмитрий Остапенко: «Система выстроена так, что новые направления требуют не реформ, а адаптации»

​О том, как пандемия коронавируса изменила работу правоохранителей, об алгоритмах выявления фейковой информации, о методах борьбы с современной преступностью — в интервью с начальником Управления МВД России по городу Краснодару полковником полиции Дмитрием Остапенко.
Ситуация Бизнес

Сможет ли правительство обуздать рост цен на продукты? И чем нам это грозит, если да

В конце прошлого года президент Владимир Путин назвал недопустимой ситуацию, когда россиянам не хватает денег на продукты. Однако применение госрегулирования цен в качестве "лекарства" может оказаться куда хуже "болезни".
Анастасия Бабкина