КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 23-29-10097
НазваниеРазработка научных основ создания алгоритмического обеспечения цифровых двойников машиностроительных конструкций для мониторинга и прогнозирования остаточной долговечности при воздействии нестационарного случайного нагружения
РуководительЕрпалов Алексей Викторович, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)", Челябинская обл
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2023 г. - 2024 г. |
Конкурс№76 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс).
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-101 - Прочность, живучесть и разрушение материалов и конструкций
Ключевые словацифровой двойник, усталостная долговечность, остаточный ресурс, нестационарное нагружение, прогнозирование ресурса
Код ГРНТИ55.03.05
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
С развитием средств диагностики технического состояния изделий и глобальной цифровизации производства в рамках четвертой промышленной революции одной из современных мировых тенденций является создание цифровых двойников изделий машиностроения. Машиностроительные конструкции в процессе эксплуатации подвержены знакопеременным случайным воздействиям разной интенсивности, которые, в конечном итоге, приводят к усталостному разрушению конструкций. При наличии необходимых датчиков и разработанной достоверной математической модели накопления повреждений в конструкции можно отслеживать её остаточный ресурс, а также прогнозировать её долговечность с заданной вероятностью, моделируя поведение воздействующего нагружения (или моделируя технологический процесс производства), тем самым управляя усталостной прочностью конструкции. Таким образом открывается возможность к созданию цифровых двойников машиностроительных конструкций для мониторинга и прогнозирования остаточной долговечности.
Данные проект направлен на решение проблемы реализации цифровых двойников машиностроительных конструкций с точки зрения мониторинга и прогноза их остаточной долговечности за счет разработки новых достоверных моделей накопления повреждений при воздействии нестационарного случайного нагружения и совершенствования методов расчетной оценки усталостной прочности конструкций при эксплуатационном воздействии с применением современных методов обработки сигналов с датчиков и интеллектуальных методов машинного обучения.
Взаимодействие членов научного коллектива с предприятиями металлургической отрасли, а именно ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат» показало, что разработка алгоритмов и методов создания цифровых двойников агрегатов, вовлеченных в непосредственный технологический процесс комбината, представляет существенный интерес. Кроме того, актуальность проблемы подтверждается принятой в декабре 2019 года программой «Стратегия цифровизации 2025» в ПАО «ММК».
Основной задачей проекта является разработка научных основ для создания новых высокоэффективных алгоритмов вероятностной оценки остаточного ресурса конструкций ответственных элементов машиностроительного оборудования в парадигме создания цифровых двойников, основанных на совместном использовании физических полуэмпирических моделей вероятностного накопления повреждений в конструкции, эмпирической декомпозиции нестационарных сигналов и интеллектуальных методов машинного обучения.
Конкретные задачи проекта:
1) разработка нового алгоритма накопления повреждений в конструкции при воздействии на него нестационарного случайного процесса, как процесса с реальных датчиков конструкции;
2) разработка научных основ оценки усталостной долговечности конструкции на основе современных методов частотно-временного разложения нестационарных процессов и обработки частотно-временных спектров свёрточными нейронными сетями;
3) разработка методических основ создания цифровых двойников машиностроительных конструкций для мониторинга и прогнозирования их остаточной долговечности.
Элементы научной новизны проекта:
1. Будут разработаны новые перспективные подходы к созданию цифровых двойников машиностроительных конструкций с позиции их мониторинга и прогнозирования остаточной долговечности.
2. Будет разработана новая модель накопления повреждений в конструкции от воздействия на неё нестационарной нагрузки, отличающаяся от существующих подходов возможностью учитывать частотность процесса, и позволяющая обрабатывать реальные экспериментальные данные с датчиков.
3. Будет разработана новая расчетно-экспериментальная методика оценки и прогнозирования остаточной долговечности конструкций при воздействии нестационарного случайного нагружения путем обработки процесса в частотно-временной области с последующим прогнозированием усталостной прочности по средством свёрточных нейронных сетей.
Ожидаемые результаты
Ожидаемые результаты:
1. Новые методы анализа нестационарных процессов нагружения конструкций при оценке их ресурса.
2. Новые экспериментальные данные по усталостной долговечности опытных образцов материалов при нестационарном случайном и гармоническом нагружениях.
3. Новая гипотеза суммирования эмпирических сигналов, полученных в результате декомпозиции, с позиции их вклада в накопление повреждений в конструкции.
4. Вероятностная модель оценки остаточного ресурса конструкции с нестационарной историей нагружения в частотно-временной области с применением свёрточных нейронных сетей.
Достижение запланированных результатов позволит внедрять виртуальные модели машиностроительных конструкций на предприятия металлургической и машиностроительной отраслях, что позволит осуществлять непрерывный мониторинг, с возможностью прогнозирования, технического состояния оборудования с целью перехода от системы планово-предупредительных ремонтов к системе ремонта по техническому состоянию.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1. Рассмотрены новые для оценки долговечности методы эмпирической декомпозиции нестационарного процесса нагружения конструкций с целью дальнейшего непрерывного мониторинга их остаточного ресурса.
Анализировалась работа методов эмпирической модовой декомпозиции, вариационной модовой декомпозиции и эмпирического вейвлет преобразования, в том числе в частотной области. Анализ показал, что все рассматриваемые методы являются адаптивными и способны выделять полезную информацию из сигнала (например, работу отдельных агрегатов, шумы и прочее). В частотной области все методы направлена на выделение узкополосных процессов, что позволяет простые и проверенные модели долговечности.
Помимо этого, предложено применение рассмотренных методов декомпозиции с точки зрения адаптивной фильтрации исходного нестационарного процесса. После выделения всех мод из исходного процесса с помощью одного из методов декомпозиции предложено отбрасывать те моды, амплитуды которых имеют незначительные величины с точки зрения усталости. Обычно это шумы, вызванные работой других агрегатов или шум самого измерительного устройства.
2. Проведены расчетно-экспериментальные исследования, в том числе стендовые, особенностей оценки долговечности конструкций цифровыми моделями с применением частотных методов.
Выявлено существенное влияние коэффициента демпфирования исследуемой конструкции на итоговую расчетную долговечность частотными методами (до 5–10 раз), что необходимо учитывать при дальнейшем создании цифровых моделей остаточного ресурса натурных объектов.
3. Сформированы концепции создания цифровых двойников натурных объектов с точки зрения долговечности, базирующиеся на обработке эксплуатационных (нестационарных) процессов нагружения.
Первая концепция заключается в рассмотрении нестационарного процесса нагружения, как набора простых, полученных методами эмпирической декомпозиции, случайных процессов (мод), которые уже обладают свойствами стационарности. При этом для каждой выделенной моды требуется расчет плотности распределения максимумов существующими временными или частотными методами и дальнейшее суммирование повреждений от действия каждой моды.
Вторая концепция заключается в обработке информации на основе машинного обучения. Идея на первом этапе так же предполагает разложение нестационарного процесса на более простые его составляющие и выделение тренда методами эмпирической декомпозиции сигналов. Далее полученные процессы представляются в частотно-временной форме при помощи существующих методов, таких как преобразование Гильберта, вейвлет преобразование, преобразование Фурье со скользящим окном и др. Полученные частотно-временные спектры представляются как скалограммы и обрабатываются сверточными нейронными сетями, которые до-обучаются по существующим данным усталостной долговечности ряда материалов. Таким образом, при помощи интеллектуальной нейросетевой модели можно получить исходные данные по характеристикам сопротивления усталости материала (конструкции) для конкретного нестационарного случайного нагружения.
Сформированные концепции отличаются от существующих возможностью рассматривать реальный нестационарный процесс без его предварительной обработки и применять как алгоритм оценки ресурса для цифровых двойников натурных объектов.
4. Разработан подход суммирования эмпирических процессов, полученных в результате декомпозиции исходного нестационарного процесса нагружения, с позиции их вклада в накопление повреждений в конструкции.
После декомпозиции исходного процесса (нагружения) каждый полученный процесс оказывает разное влияние на итоговую долговечность. При этом процесс с большим числом циклов и высокими амплитудами оказывает большее влияние на долговечность. С связи с этим в работе выведена зависимость для расчета плотности распределения максимумов, эквивалентной по повреждению исходному нестационарному процессу, основанная на суммировании плотностей распределения максимумов процессов с добавлением весовых коэффициентов, рассчитываемых по скорости появления максимальных амплитуд. На основе гипотезы линейного суммирования повреждений и с учетом кривой усталости материала Басквина выведена итоговая зависимость для оценки долговечности конструкции.
5. Разработан набор инструментария для рассмотрения случайных процессов, как во временной, так и в частотной областях.
В рамках исследования выданы рекомендации по выбору необходимой частоты дискретизации сигнала нагружения, по выбору необходимой и достаточной длины реализации для получения надежной оценки долговечности, выполнено исследование влияния числа уровней квантования на вычислительный коэффициент нерегулярности, исследован метод моделирования реплик процессов по марковским матрицам и восстановление непрерывного процесса по дискретной последовательности экстремумов.
6. Разработана методика обработки сигналов с установленных на конструкции сенсоров в режиме реального времени, включающая в себя применение разных методов эмпирической декомпозиции со скользящим окном. Помимо этого, разработан алгоритм формирования цифровых двойников натурных объектов для мониторинга их остаточного ресурса при эксплуатационном нагружении, в том числе нестационарном, с применением методов эмпирических декомпозиций сигналов с датчиков.
Публикации
1. Гадолина И.В. Пересмотр роли испытаний при нерегулярном нагружении при получении научных выводов о пределе выносливости Надежность, Надежность. 2023. Т.23. №3. С. 23-27 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.21683/1729-2646-2023-23-3-23-27
2. Ерпалов А.В., Хорошевский К.А., Гадолина И.В. Актуальные проблемы создания цифровых двойников изделий машиностроения с точки зрения оценки долговечности Заводская лаборатория. Диагностика материалов, Заводская лаборатория. Диагностика материалов. – 2023. – Т. 89, № 8. – С. 67-75 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.26896/1028-6861-2023-89-8-67-75
3. Хорошевский К.А., Ерпалов А.В., Гадолина И.В. Расчётно-экспериментальное исследование влияния демпфирования конструкции на её долговечность при случайном нагружении Вестник Южно-Уральского университета. Серия «Математика. Механика. Физика», Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Математика. Механика. Физика. – 2023. – Т. 15, № 4. – С. 47-57 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.14529/mmph230406