Разработка методики магнитного структурного анализа и гибридной экспертной системы оперативной технической диагностики металлических изделий в геомагнитном поле

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 проекта 15-19-00028

НазваниеРазработка методики магнитного структурного анализа и гибридной экспертной системы оперативной технической диагностики металлических изделий в геомагнитном поле

Руководитель Игнатьев Вячеслав Константинович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный университет" , Волгоградская обл

Конкурс №6 - Конкурс 2015 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по приоритетным тематическим направлениям исследований»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-608 - Инженерно-технические и информационные автоматизированные системы мониторинга биоресурсов, биосферы и технических систем

Ключевые слова магнитная томография, обратная магнитостатическая задача, гибридная экспертная система, неразрушающий контроль, микроструктурный анализ, техническая диагностика, остаточный ресурс.

Код ГРНТИ59.45.35

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Цель проекта: Создание новых методик и портативных приборов для оперативного контроля микроструктуры и физико-механических свойств материалов деталей, конструкций и определения остаточного ресурса механизмов, в том числе и в процессе их эксплуатации. Научная проблема: Неразрушающее оценивание параметров микроструктуры, напряженно-деформированного состояния, физико-механических свойств и распределения дефектов в металлических изделиях магнитными методами. Решаемая задача: Восстановление объемного распределения намагниченности по измеренной топографии магнитного поля рассеяния вблизи поверхности слабо намагниченного ферромагнетика для контроля микроструктуры, напряженно-деформированного состояния, физико-механических свойств и распределения дефектов в нем. Актуальность решаемой задачи обусловлена необходимостью повышения точности оперативной диагностики стальных конструкций для дистанционного неразрушающего контроля надежности технических систем на ответственных объектах. Методика неразрушающего оценивания параметров микроструктуры, напряженно-деформированного состояния, физико-механических свойств и распределения дефектов в металлических изделиях магнитными методами позволит диагностировать стадию начала разрушения изделия еще до возникновения в нем дефектов сплошности и своевременно оценивать живучесть конструкции. В ходе выполнения предполагается разработать гибридную экспертную систему, состоящую из измерителей магнитной топографии и средств высокопроизводительных параллельных вычислений, предназначенных для решения обратной магнитостатической задачи и выполнения разработанных алгоритмов оперативной технической диагностики металлических изделий в геомагнитном поле. На основе известных квантовых моделей ферромагнетизма будут разработаны модели связи физико-механических и магнитных свойств конструкционных сталей. Это позволит по известной намагниченности материала оценивать напряженно-деформированное состояние, параметры дефектов и структуру исследуемого объекта. Намагниченность будет определяться путем решения обратной магнитостатической задачи с исходными данными в виде топографий компонент вектора поля рассеяния вблизи поверхности исследуемого образца. Топографии компонент магнитного поля будут получены методами цифровой обработки изображений из исходных значений с применением алгоритмов коррекции аппаратной функции измерительных преобразователей Холла. Аппаратную часть гибридной экспертной системы предполагается разработать в виде многокомпонентного холловского микроскопа, обладающего чувствительностью по магнитному полю не менее 1 нТл и пространственным разрешением не менее 10 мкм, не искажающего магнитное поле в процессе измерения. Предполагается реализация аппаратной части в виде микропроцессорной системы обработки информации, реализующей алгоритмы коррекции аппаратных функций измерительных преобразователей. Также на базе холловского магнитного сканера предполагается реализовать устройство для оперативной дистанционной диагностики технического состояния трубопровода. Обработанные данные будут передаваться на систему высокопроизводительных параллельных вычислений, в которой будут реализовываться оперативные параллельные рекурсивные алгоритмы технической диагностики. Ожидаемые результаты: 1) Методика расчета намагниченности и поля рассеяния магнитомягкого ферромагнетика с заданными неоднородностями микроструктуры на разных масштабных уровнях в заданном магнитном поле. 2) Методика расчета намагниченности и поля рассеяния ферромагнетика в напряженно-деформированном состоянии в заданном магнитном поле. 3) Алгоритм вычисления медленно меняющейся, дипольной и случайной составляющих намагниченности в объеме слабо намагниченного ферромагнетика по результатам измерения топографии нормальной и тангенциальных компонент магнитного поля над его поверхностью. 4) Алгоритм вычисления медленно меняющейся, дипольной и случайной составляющих намагниченности участка трубопровода по результатам измерения распределений нормальной и тангенциальных компонент магнитного поля на значительном удалении от поверхности изделия. 5) Экспериментальный образец холловского магнитного микроскопа с чувствительностью по магнитному полю 1 нТл, относительной погрешностью не более 0,01% и пространственным разрешением 10 мкм для гибридной экспертной системы магнитного структурного анализа. 6) Экспериментальный образец холловского магнитного сканера для регистрации топографий поля рассеяния на расстоянии не менее 3 м от объекта контроля. 7) Методика магнитного оперативного контроля структуры, физико-механических свойств и напряженно-деформированного состояния стальных материалов и изделий на разных масштабных уровнях в процессе их длительной эксплуатации. 8) Экспериментальный образец портативного магнитометрического устройства оперативной дистанционной диагностики трубопроводов с глубиной залегания не менее 3 м. 9) Макет гибридной экспертной системы магнитного структурного анализа слабо намагниченных ферромагнитных образцов толщиной не менее 30 мм, обеспечивающий регистрацию параметров напряженно-деформированного состояния, дефектов микроструктуры размером от 10 мкм до 1 мм. Научная новизна поставленной задачи определяется тем, что обратная магнитостатическая задача до сих пор рассматривалась лишь на модельном уровне. Существующие алгоритмы ее решения для обеспечения необходимой точности требуют мощных вычислительных средств и не могут быть реализованы в портативном автономном аппаратно-программном комплексе. Использование упрощенных моделей и искусственных предположений не позволяет получить удовлетворительные оценки параметров реальных дефектов. Разрабатываемая гибридная экспертная система позволит производить оперативный контроль микроструктуры, физико-механических свойств материалов деталей и конструкций с выявлением дефектов, зон концентрации напряжений и деформаций на разных масштабных уровнях. По результатам контроля возможно определение остаточного ресурса механизмов непосредственно во время эксплуатации изделия путем сравнения текущих дефектограмм деталей и конструкций с начальными и критическими. Это позволит предупредить возникновение чрезвычайной ситуации.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Бардин А.А., Игнатьев В.К., Орлов А.А., Перченко С.В., Станкевич Д.А. Магнитная экспресс диагностика микроструктуры инженерных конструкций Технологии техносферной безопасности, Выпуск 4, т. 62 (год публикации - 2015)

2. Бардин А.А., Игнатьев В.К. Алгоритм ориентации по физическим полям Земли Фундаментальные и прикладные науки сегодня. Материалы VI международной научно-практической конференции. North Charleston. USA, С. 219-221 (год публикации - 2015)

3. Игнатьев В.К., Невзоров А.А., Орлов А.А. Цифровой квантовый градиометр Фундаментальные и прикладные науки сегодня. Материалы VI международной научно-практической конференции. North Charleston. USA, С. 222-225 (год публикации - 2015)

4. Лебедев Н.Г., Лебедева О.С., Ляпкосова И.А. Пьезопроводимость примесных хиральных углеродных нанотрубок Современная химическая физика. XXVII Симпозиум, С. 91 (год публикации - 2015)

5. Перченко С.В. Экспериментальная проверка соотношений взаимности для нелинейного гальваномагнитного преобразователя Фундаментальные и прикладные науки сегодня. Материалы VI международной научно-практической конференции. North Charleston. USA, С. 241-245 (год публикации - 2015)

6. V. Ignatjev, A. Orlov, and S. Perchenko Reciprocity Relations for Nonlinear Galvanomagnetic Transducer Progress In Electromagnetics Research Letters, Vol. 56, 75–80 (год публикации - 2015)
10.2528/PIERL15061501

7. Лебедев Н.Г., Лебедева О.С., Ляпкосова И.А. Пьезорезистивный эффект в хиральных углеродных нанотрубках Сборник научных трудов по материалам IX международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики», С. 88-93 (год публикации - 2015)

8. Игнатьев В.К., Орлов А.А., Станкевич Д.А. Фазовый компаратор мгновенных частот квазигармонических сигналов Фундаментальные и прикладные науки сегодня. Материалы VI международной научно-практической конференции. North Charleston. USA, С. 184 - 186 (год публикации - 2015)

Публикации

1. Лебедев Н.Г., Лебедева О.С., Ляпкосова И.А. Пьезопроводимость графеновых нанолент Современная химическая физика.XXVIII Симпозиум., стр. 85 (год публикации - 2016)

2. Никитин А.В., Никитин А.О., Орлов А.А. Investigation of an Operational Method for Measuring Frequency and Amplitude of Signals with Slowly Varying Parameters Measurement Techniques, Volume 59, Issue 5, pp 537–546 (год публикации - 2016)
10.1007/s11018-016-1004-3

3. Игнатьев В.К., Орлов А.А., Станкевич Д.А. A Phase Method of Comparison of the Instantaneous Values of the Frequencies of Quasi-Harmonic Signals Measurement Techniques, Volume 59, Issue 7, pp 752–759 (год публикации - 2016)
10.1007/s11018-016-1042-x

4. Игнатьев В.К., С.В. Перченко Исследование соотношений взаимности для нелинейного многополюсника в неоднородном магнитном поле Журнал технической физики (год публикации - 2016)

5. Невзоров А.А., Орлов А.А. Geomagnetic field fast-change measurements by proton precession magnetometer 16-th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2016, Book 1, Vol. 3, pp. 499-503 (год публикации - 2016)
10.5593/sgem2016B13

6. Игнатьев В.К., Орлов А.А., Перченко С.В. The research of reciprocal relations for nonlinear quadripole in the magnetic field Progress in Electromagnetics Research Letters, 59. pp. 71-75 (год публикации - 2016)
10.2528/PIERL16020207

7. Никитин А.В., Пшеничный К.А., Юшанов С.В. A method for fast estimation of slowly changing parameters of a quasi-harmonic signal Measurement Science and Technology, Volume 27, Issue 2, Article number 025011 (год публикации - 2016)
10.1088/0957-0233/27/2/025011

8. Игнатьев В.К., Орлов А.А., Перченко С.В. Reciprocity relations for nonlinear plasmalike medium in a magnetic field Technical Physics Letters, Volume 42, Issue 2, Pages 204-207 (год публикации - 2016)
10.1134/S1063785016020267

Публикации

1. Невзоров А.А., Орлов А.А., Игнатьев В.К., Бардин А.А. Calibration algorithm of Hall magnetometer in visible coordinate system Measurement, Volume 134, Pages 939-946 (год публикации - 2019)
10.1016/j.measurement.2018.11.065

2. Игнатьев В.К., Лебедев Н.Г., Орлов А.А. Quantum Model of Hysteresis in a Single-Domain Magnetically Soft Ferromagnet Physics of Metals and Metallography, Volume 119, Number 5, pages 452–461 (год публикации - 2018)
10.1134/S0031918X18020059

3. Бардин А.А., Игнатьев В.К., Орлов А.А., Перченко С.В. Verifying of reciprocal relations for nonlinear quadripole in unsteady mode Results in Physics, Volume 7, Pages 665-666 (год публикации - 2017)
10.1016/j.rinp.2017.01.029

4. Бардин А.А., Игнатьев В.К., Орлов А.А., Перченко С.В. Reciprocal relations for nonlinear multipole in inhomogeneous magnetic field Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Volume 441, Pages 276-282 (год публикации - 2017)
10.1016/j.jmmm.2017.05.079

5. Бардин А.А., Игнатьев В.К., Орлов А.А. Hall magnetic scanner 17th International Multidisciplinary Scientific Geoconference, SGEM 2017; Albena; Bulgaria, Volume 17, Issue 14, Pages 165-172 (год публикации - 2017)
10.5593/sgem2017/14/S05.021

6. Игнатьев В.К., Лебедев Н.Г., Никитин А. В., Орлов А. А. Макромагнитный расчет намагниченности деформированного ферромагнетика Физика металлов и металловедение, том 120, № 3, с. 227–238 (год публикации - 2019)
10.1134/S0015323019030069

7. Игнатьев В.К., Станкевич Д.А. A Fast Estimation Method for the Phase Difference Between Two Quasi-harmonic Signals for Real-Time Systems Circuits, Systems, and Signal Processing, Volume 36, Issue 9, Pages 3854-3863 (год публикации - 2017)
10.1007/s00034-016-0484-3

8. Игнатьев В.К., Лебедев Н.Г., Орлов А.А. Квантовая модель гистерезиса в однодоменном магнитомягком ферромагнетике Физика металлов и металловедение, Том 119, №2 (год публикации - 2018)

9. Игнатьев В.К., Орлов А.А., Перченко С.В., Станкевич Д.А. A hall microscope for measuring magnetic properties of films Technical Physics Letters, Volume 43, Issue 8, Pages 687-690 (год публикации - 2017)
10.1134/S1063785017080090

10. Бардин А.А., Игнатьев В.К., Невзоров А.А., Орлов А.А. Mapping of geomagnetic vector to global coordinate system 17th International Multidisciplinary Scientific Geoconference, SGEM 2017; Albena; Bulgaria, Volume 17, Issue 14, Pages 237-244 (год публикации - 2017)
10.5593/sgem2017/14/S05.030

11. Бардин А.А., Игнатьев В.К., Орлов А.А., Перченко С.В. Voltage transients in thin-film InSb Hall sensor Results in Physics, Volume 7, Pages 3344-3345 (год публикации - 2017)
10.1016/j.rinp.2017.08.050

12. Игнатьев В.К., Лебедев Н.Г., Орлов А.А. Quantum model of a hysteresis in a single-domain magnetically soft ferromagnetic Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Volume 446, Pages 135-142 (год публикации - 2018)
10.1016/j.jmmm.2017.08.071

13. Игнатьев В.К., Орлов А.А., Станкевич Д.А. Method of current distribution parameters measuring with using reference magnetic field source Measurement, Volume 125, Pages 109-113 (год публикации - 2018)
10.1016/j.measurement.2018.04.074