Анализ средств и методов контроля напряженно-деформированного состояния конструкций в процессе эксплуатации

ANALYSIS OF MEANS AND METHODS OF STRESS-STRAIN STATE CONTROL OF STRUCTURES DURING OPERATION

Ivan Devyatov

Candidate of Economic Sciences, Senior Researcher of the Lomonosov Moscow State University – MGU, Russia, Moscow

Sergei Iurgenson

Candidate of Technical Sciences, Junior Researcher of the Lomonosov Moscow State University – MGU, Russia, Moscow

Ivan Zharenov

Junior Researcher of the Lomonosov Moscow State University – MGU, Russia, Moscow

Andrei Trutnenko

Junior Researcher of the Lomonosov Moscow State University – MGU, Russia, Moscow

Dmitrii Tuev

Junior Researcher of Lomonosov Moscow State University – MGU, Russia, Moscow

Аннотация. В этой статье определяется базовый набор средств и методов контроля состояния металлических конструкций и конструкций из композиционных материалов (ПКМ), используемых в строительстве и авиационной промышленности. Проводится анализ средств и методов контроля напряженно-деформированного состояния конструкции в процессе эксплуатации (выявление дефектов, рост трещин) и их сравнение.

Abstract. This article defines the basic set of means and methods of the structural health monitoring of metal structures and structures from polymer composite materials (PCMs) used in the construction and aviation industry. The analysis of means and methods of strain-stress state control of a structure during operation (detection of defects and crack growth) and their comparison is provided.

Ключевые слова: системы мониторинга состояния; неразрушающий контроль конструкций из металла и ПКМ; прочность конструкции.

Keywords: structural health monitoring systems, non-destructive testing of metal and PCM structures, structural strength.

Исследование финансируется Министерством науки и высшего образования Российской Федерации по соглашению о предоставлении субсидии № 05.607.21.0329 (внутренний номер Соглашения 05.607.21.0329)  от «18» декабря 2019 г. (уникальный номер RFMEFI60719X0329), прикладные научные исследования проводятся по теме «Разработка базовых проектных решений системы мониторинга технического состояния конструкций и сложных инженерных изделий в интересах обеспечения техногенной безопасности, устойчивого функционирования критической инфраструктуры Российской Федерации и развития отраслей отечественной промышленности».

России необходимо решать задачи по минимизации рисков техногенных катастроф и предотвращению наносимого природного ущерба, в связи с чем необходимо внедрять управленческие практики, способствующие недопущению инцидентов и работе с ними до начала кризисных ситуаций, поскольку на этих этапах ущерб ещё относительно просто локализовать и минимизировать. Разработка и внедрение систем датчиков для объектов промышленности и инфраструктуры – необходимое условие для отлавливания «слабых сигналов» в системах, с которыми связаны высокие риски кризиса.

Для отслеживания состояния различных потенциально опасных для человека объектов существует система мониторинга состояния конструкций SHM (Structure Health Monitoring), которая собирает, передает, обрабатывает и анализирует данные, поступающие от объектов, находящихся в этой системе. Такого плана системы используются ведущими авиастроительными корпорациями для постоянного контроля за состоянием парка самолетов, в конструкции которых встраиваются различные датчики. Авиационная отрасль является одной из наиболее наукоемких и прорывных в настоящее время, так почему же не использовать накопленный опыт зарубежных коллег и применить его в авиации нашей страны, а также в гражданской отрасли, например в области строительства. Примерами таких объектов могут быть здание Финансового центра Пинань, мост Confederation Bridge, Tsingma Bridge, здание Бурдж-Халифа и т.д.

Внедрив систему мониторинга состояния конструкции, возможно значительно сократить расходы на эксплуатацию зданий и конструкций, в то же время своевременно реагировать на изношенные дороги или, например, мосты. Отремонтировать их на ранней стадии станет возможно с системой SHM, которая может сыграть решающую роль в дальнейшем развитии технологического прогресса.

Техническое состояние стальных конструкций определяют на основе оценки факторов, приведенных в пункте 5.3.3.1 ГОСТ 31937—2011.

Определение геометрических параметров элементов конструкций и их сечений проводят непосредственными измерениями.

Определение ширины и глубины раскрытия трещин проводят осмотром с использованием лупы или микроскопа. Признаками наличия трещин могут быть подтеки ржавчины, шелушение краски и др.

При оценке коррозионных повреждений стальных конструкций определяют вид коррозии и ее качественные (плотность, структура, цвет, химический состав и др.) и количественные (площадь, глубина коррозионных язв, значение потери сечения, скорость коррозии и др.) характеристики.

Обследование сварных швов заключается в очистке от шлака и внешнем осмотре в целях обнаружения трещин и других повреждений. Скрытые дефекты в швах определяют по ГОСТ 3242.

Контроль натяжения болтов проводят тарировочным ключом по ГОСТ Р 51254.

При отсутствии сертификатов, недостаточной или неполной информации, приводимой в сертификатах, обнаружении в конструкциях трещин или других дефектов и повреждений, физико-механические и химические характеристики стали конструкций определяют по ГОСТ 1497, ГОСТ 7564.

В ведении МЧС России имеются вопросы создания и развития систем мониторинга для минимизации ущерба от чрезвычайных ситуаций. Несущие конструкции зданий и сооружений, инженерные системы жизнеобеспечения и безопасности, а также технологические системы оборудуются системой мониторинга и управления инженерными системами (СМИС), которая осуществляет контроль в режиме реального времени. Подсистемой СМИС является система мониторинга состояния несущих конструкций зданий, сооружение (СМИК), которая осуществляет контроль показателей с целью предупреждения ситуаций, при которых значения регистрируемых параметров превысят их предельно допустимые величины.

Разработанные методы SHM прошли достаточно успешную проверку применительно к контролю ответственных элементов различных строительных конструкций (силовые элементы высотных зданий, крепления мостов, и т.п.) и начали постепенно внедряться в авиации. Современные высокопрочные ПКМ имеют низкую трещиностойкость, поэтому при ударных воздействиях повреждения могут приводить к катастрофическому распространению невидимых трещин под воздействием усталостных нагрузок. Именно по этой причине особенно важны методы построения систем мониторинга, развитие которых с каждым годом значительно растет. На ВС ставится все больше датчиков, которые соединяются в едином информационном пространстве (Рисунок 1). Этот диагностический набор дает знания обо всем жизненном цикле.

Рисунок 1. Единая информационная система

Внедрение передовых технологий мониторинга технического состояния было довольно ограниченным. В будущем должно быть более интегрированное решение, где конструкция и критерии проектирования разработаны с передовыми технологиями мониторинга технического состояния (Рисунок 2).

Рисунок 2. Тенденции использования системы мониторинга технического состояния

Существует два закладываемых при проектировании подхода, которые реализуют ресурсные показатели авиационных конструкций в эксплуатации – подход по безопасному ресурсу и по безопасному повреждению [1].

Комплексное использование данных мониторинга и диагностики конструкции ВС и данных об его нагружении и взаимодействии с окружающей средой в процессе эксплуатации, которые оказываются в данном случае тесно связанными, как и само получение такой информации, является одной из основных проблем. Решение её лежит в области совершенствования получения информации, её обработки и принятия решений о концепции мероприятий по техническому обслуживанию и ремонту отдельного экземпляра ВС, а также прогнозирования его остаточного ресурса, что можно осуществить только в составе комплексных систем, предназначенных для мониторинга состояния конструкции ВС в эксплуатации на протяжении всего её жизненного цикла.

Типы применяемых датчиков и построения систем контроля

Эффективная система мониторинга технического состояния регистрации ударных воздействий должна включить в себя следующие компоненты: определение местоположения и количественная оценка удара; установление характера повреждения; оценку причины повреждения.

Существует три наиболее распространенных подхода, применяемых для мониторинга состояния конструкций из ПКМ: датчики напряжения (тензодатчики и датчики на основе оптических решеток Брэгга (FBG)), датчики вибрации и обрыв чувствительного элемента (вакуумные датчики и перелом встроенных оптических волокон). В таблице ниже приведены наиболее распространенные виды датчиков в зависимости от типа дефектов (где, «++» - основной метод, «+» - возможно применение, «-» - невозможно применение, «0» - возможно применение, но не применяется из-за технических ограничений). Помимо деформации, FBG-датчики также позволяют осуществлять мониторинг нагрузок на конструкцию.

Таблица.

Виды датчиков от типа дефектов

Для построения систем мониторинга технического состояния конструкций используются технологии дополненной реальности. Примером таких технологий могут являться приложение MARTA (Mobile Augmented Reality Technical Assistance) для мобильных устройств [2], гарнитура Google Glass для вычислительного устройства на базе операционной системы Android [3] и т.п.

Заключение

В рассмотренной статье был дан ответ на вопросы: «Какие средства и методы контроля напряженно-деформированного состояния конструкций существуют в настоящее время?» и «Как применяются системы мониторинга состояния конструкций за рубежом и в Российской Федерации?».

Для всеобъемлющего мониторинга состояния конструкций в строительстве и авиации была разработана система SHM (существуют и подобные), которая собирает, обрабатывает, анализирует и передает данные от находящихся в этой системе объектов.

Многочисленные методы мониторинга применяются на конструкциях из любых (популярных в строительстве и производстве) материалах, в том числе и композиционных, с применением датчиков различных типов: FBG- и тензодатчики, пьезоэлектрические, волоконно-оптические, вакуумные и др.

Стоит отметить, что развитие и использование подобных систем контроля состояния конструкций в России сильно отстает от ведущих стран запада и Азии и (в небольшом объеме) находит свое место, в основном, в строительстве, в то время как за рубежом одним из основных направлений является авиация.

С процессом разработки новых, более автономных и «умных» датчиков, системы мониторинга технического состояния будут применяться в объектах транспорта и строительства гораздо шире, чем в настоящее время.

Результаты

На основании анализа открытых источников и патентных заявок можно сделать вывод, что уровень развития внедрения систем мониторинга в Российской Федерации сильно отстает от уровня зарубежных коллег. Нашему государству (для минимизации рисков различных катастроф) необходимо следовать опыту зарубежных стран и инвестировать большее количество денежных средств в цифровизацию в сфере авиации и строительства.