.png)
Российские ученые предлагают инновации для мостов, дорог и «умного города»
Разработан «цифровой двойник» «умной» смазки для защиты мостов от обрушений.
Ключевую роль в обеспечении надежности моста играют специальные подшипники, которые позволяют конструкции плавно двигаться под тяжелым весом, при нагреве и вибрациях, защищая от разрушения. Современные детали включают стальные элементы, полимерные слои и специальную смазку, которая снижает трение и продлевает срок службы моста. Ученые Пермского Политеха разработали усовершенствованную математическую модель, которая учитывает не только вязкость, но и пластичность смазочных материалов, и снизит погрешность в расчетах и уменьшит общий риск аварий.
Чтобы подобрать правильную смазку для конкретного случая, ее поведение моделируют с помощью программ - создают цифровой образец материала на компьютере и смотрят, как он меняется от разных факторов, например, под действием нагружения или температуры. Существующие модели не учитывают всех особенностей поведения смазок при разных температурах и скоростях деформации. Это затрудняет точное прогнозирование их работы.
Новая модель прогноза поведения смазочных материалов обеспечила погрешность менее 1%. Оказалось, что смазки ведут себя как твердое тело во всем диапазоне температур, что позволяет им быть более устойчивыми в процессе работы подшипника. Это критически важно при «скачущем» климате. Численная модель позволяет оптимизировать конструкции подшипников для эксплуатации в суровых климатических условиях, что особенно актуально для мостов в северных регионах, где перепады температур достигают 120 град. C.
Модель применима для разных типов смазок и может быть адаптирована для других материалов. В перспективе возможно ее внедрение в системы автоматизированного проектирования.
Пермские ученые выяснили, дороги из каких материалов морозы делают крепче.
Геосинтетические материалы, такие как геотекстиль и георешетки, уже более 30 лет используют в строительстве автодорог. Но при отрицательных температурах прочность и эластичность материалов могут снижаться. Одно из ключевых преимуществ геосинтетики - это ее способность работать в широком диапазоне температур - от -40 град. C до +60 град. C.
Ученые из Пермского политехнического университета провели серию лабораторных испытаний, чтобы оценить морозостойкость четырех различных геосинтетиков: нетканого и двух видов тканого геотекстиля, полипропиленовой георешетки (с нейтральными химическими свойствами).
Образцы подвергались многократным циклам замораживания и оттаивания - если материал выдерживает эти нагрузки без потери свойств, то он считается морозостойким. Всего было 30 циклов, что имитирует реальные условия эксплуатации в холодных регионах. В течение 12 часов образцы замораживали при температуре -18 град. C и 12 часов они оттаивали при +20 град. C. После этого их тестировали на растяжение, чтобы определить, как изменились прочность и эластичность.
В результате исследования оказалось, что большинство геосинтетических материалов не только сохраняют свои свойства после многократных циклов замораживания и оттаивания, но и становятся прочнее. По результатам проведенных испытаний показатель морозостойкости составил: у георешетки - 111,8%, тканого геотекстиля ТН 20 - 174,4%, нетканого - 112,5% (при допустимой норме - 90%). Это значит, что у данных материалов увеличилась прочность на растяжение, а, следовательно, они могут успешно использоваться в условиях экстремально низких температур.
Однако не все материалы показали такие результаты. Это указывает на то, что выбор правильного типа дорожного покрытия имеет решающее значение. Тканый геотекстиль TH 50 оказался менее устойчивым: после 30 циклов замораживания и оттаивания его морозостойкость составила 81% (на 19% ниже допустимой), что делает его непригодным для использования в условиях отрицательных температур.
Ученые повысили качество изделий из сплава нового поколения.
Ученые Передовой инженерной школы ПНИПУ экспериментально исследовали особенности образования дефектов на поверхностном слое при обработке изделий из нового жаропрочного никелевого сплава ВВ751П. Это позволит получать изделия с высоким качеством поверхности и повышенной устойчивостью к нагрузкам. Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда.
В ходе экспериментов было изготовлено несколько образцов разной высоты (10 и 15 мм) и выполнили их обработку при минимальном и максимальном времени воздействия электрического импульса (21 и 30 микросекунды). Затем детально исследовали поверхностный слой образцов.
При проволочно-вырезной электроэрозионной обработке величина дефектного белого слоя остается стабильной на обоих режимах и составляет 10 микрометров. Изменение параметров почти не сказывается на глубине его образования. Однако происходят изменения в его структуре и параметров шероховатости. Так, при кратковременном действии импульса (21 микросекунды) поверхностных дефектов в виде пор и трещин нет, но при увеличении энергии импульса (30 микросекунды) материал плавится интенсивнее и формируются различные неровности и микротрещины.
От высоты заготовок также зависит качество поверхности. С ее увеличением от 10 до 15 мм образование микротрещин происходит интенсивней вне зависимости от мощности режима, и их размеры достигают в длину 50-60 микрометров. Значения шероховатости также увеличиваются в зависимости от высоты образца от 1,62 до 3,4 мкм по параметру Ra.
Таким образом, добиться бездефектного верхнего слоя с низкими значениями параметра шероховатости можно, контролируя подачу энергии электрического импульса и высоту самих заготовок.
Разработана «умная» система для предотвращения аварий в зданиях.
Изобретатель из РТУ МИРЭА представил модульную систему автоматизации, способную предотвращать чрезвычайные ситуации в зданиях. Разработка позволяет контролировать ключевые аспекты безопасности, включая освещение, вентиляцию, кондиционирование и другие жизненно важные системы. Устройство способно оперативно выявлять и реагировать на такие угрозы, как отключение электричества, утечки воды, возгорания и другие аварийные ситуации.
Особенность системы - ее гибкость и модульная архитектура, что делает ее универсальной для различных объектов. Она поддерживает как беспроводные, так и проводные соединения, обеспечивая автономную работу и круглосуточный мониторинг параметров окружающей среды, включая уровень газов.
Кроме того, разработка оснащена функцией хранения данных с датчиков на сервере. Это позволяет сохранять информацию за определенный период и анализировать ее в динамике, что особенно полезно для выявления тенденций и предотвращения повторных инцидентов.
Разработка особенно полезна для таких объектов, как системы «умного города».
Разработка пермских ученых позволит выявлять аварийные здания с помощью нейросетей.
Ученые Пермского Политеха разрабатывают программу с искусственным интеллектом, способную выявлять аварийное состояние зданий и его причины по фотографиям трещин. Проектом уже заинтересовалось ведущее промышленное предприятие Пермского края.
Для этого эксперты написали код в программе Google Colab, в которую загрузили исходный набор данных для обучения нейросетей. Наличие посторонних предметов, условия съемки и прочее сказываются на результатах и требуют большого объема информации - т.е. серьезных временных затрат. Поэтому политехники умышленно ограничили данные до 780 обучающих и 30 тестовых изображений (640×640 пикселей). Этого достаточно для проверки эффективности.
В основе разработки - сверхточные нейросети, которые помогают компьютерам видеть и понимать изображения и видео. По ходу обучения модель тренируется обнаруживать дефекты на фотографиях фасадов с трещинами и без. Она прогнозирует их расположение по «обучающим» фото, сравнивает с правильным вариантом, определяет, насколько ошиблась, и проводит корректировку. Один полный проход по всему обучающему набору данных называется эпохой. Методом подбора количества эпох от 10 до 75 было выявлено, что оптимальное число таких подходов - 50. Если значение меньше, снижается точность показателей, если больше - почти не меняется, но длительность обучения увеличивается примерно в 1,57 раза.
Сегодня программа определяет трещины на тестовых фотографиях за время не более 20 миллисекунд, то есть не менее трех кадров в секунду. Планируется улучшить этот показатель до восьми кадров, что позволит качественно определять дефекты на видео в реальном времени с использованием беспилотных летательных аппаратов. Точность определения сейчас доходит до 60%. В будущем планируется повысить ее до 95% и более, а также доработать часть, отвечающую за определение причин появления трещин.
Созданная учеными ПНИПУ программа в дальнейшем позволит повысить точность и скорость своевременного выявления аварийных зданий и тем самым повысит их безопасность. На данном этапе разработка позволяет ускорять создание технических отчетов о состоянии домов, снижая ручной труд.
Разработан новый метод проектирования естественного освещения зданий с учетом российского климата.
В КБГУ представили новый подход к расчету естественного освещения зданий. Метод позволяет точнее учитывать световой климат разных регионов. Это решение может снизить затраты на строительство и энергопотребление, а также улучшить микроклимат в помещениях.
Было предложено перейти от усредненных значений к дифференцированному анализу. Основной критерий - среднегодовое количество естественного света в конкретной точке строительства. Это позволяет точно определить, какую площадь окон или световых проемов нужно запроектировать, чтобы: сохранить комфортный уровень освещенности круглый год; избежать перерасхода материалов и энергии.
Алгоритм сопоставляет данные о местном световом климате с требованиями к освещенности помещений. Например, если в регионе много солнечных дней, площадь окон можно сократить на 8-15%, сохранив достаточный уровень естественного света. Это снизит затраты на остекление и отопление, а летом уменьшит перегрев помещений
Применение метода дает сразу несколько преимуществ: экономию средств - сокращение площади остекления снижает единовременные затраты на строительство; энергоэффективность - меньше зависимость от искусственного света и отопления; экологичность - рациональное использование солнечной энергии уменьшает углеродный след зданий.
Подход позволяет не просто следовать нормативам, а максимально использовать природные ресурсы конкретной местности. Это шаг к «умному» строительству.
На основе новых расчетов создана карта светоклиматического районирования территории России, разработаны коэффициенты светового климата. Метод Гукетлова заложен в строительные нормы и правила России (СНИП) и имеет практическое использование.
Найден способ сделать стальные конструкции более прочными.
Ученые Пермского Политеха изучили показатели устойчивости к образованию трещин при периодических нагружениях на примере одной из самых распространенных отечественных мартенситностареющих сталей - 03Х11Н10М2Т (ЭП-678). Ее применяют для производства силовых сварных и механически обрабатываемых элементов, высоконагруженных дисков турбомашин, зубчатых колес, деталей, работающих при температурах от -200 до +400 град. C, и в коррозионных средах типа морской воды и т.д.
Промышленные слитки подвергали горячей ковке и изготовили из них образцы для исследований. Заготовки закаливали в воде от 920 град. С и выдерживали при температурах 300-560 град. С в течение трех часов. Испытания на устойчивость к трещинам проводили на специальной машине жесткого нагружения. Далее сравнивали образцы до и после экспериментов на обычном и электронном микроскопах.
Исследование стали показало, что укрупнение ее элементов повышает устойчивость к разрушениям в условиях периодического нагружения. При этом максимальный положительный эффект наблюдали при низких нагрузках - не более 1-2 тонны: так, после закалки с 1200 град. С (крупнозернистая сталь) скорость роста трещины в 3 раза меньше, чем после закалки с 920 град. С (мелкозернистая). Здесь это значит, что чем выше температура закалки и крупнее зерно, тем медленнее разрушается материал.
В случае с этой сталью ученые нашли закономерность: чем крупнее дисперсные частицы, тем выше устойчивость к разрушениям, хотя обычно бывает наоборот.
Найден простой способ оценить взаимодействие между грунтом и армирующими элементами.
Для обеспечения устойчивости сооружений, например, основания фундамента и насыпи для дорог и площадок, часто используют армогрунтовые конструкции. В них послойно чередуется грунт и укрепляющий (армирующий) геосинтетический материал, который изготавливают из синтетического сырья. При проектировании важно понимать, как армирующий элемент взаимодействует с грунтом для обеспечения надежной эксплуатации в будущем. Ученые Пермского Политеха разработали удобный отечественный способ, который требует меньше финансовых и временных затрат, при этом остается эффективным. На изобретение выдан патент.
Предложенная технология подразумевает проведение испытания образца грунта, армированного тканым геосинтетиком, в приборе трехосного сжатия, где предусмотрено измерение радиальной деформации датчиком, который в виде разомкнутой цепочки или ленты устанавливается в средней части испытуемого образца. Датчик фиксирует момент увеличения диаметра образца в зоне армирования, что соответствует потере сцепления армирующих слоев с грунтом при определенной величине вертикальных напряжений. Такие испытания при различных боковых давлениях позволяют определить угол трения на контакте геосинтетического материала с грунтом.
Образец грунта при формировании в приборе трехосного сжатия политехники армируют горизонтально двумя слоями геосинтетического материала в средней части образца. Расстояние между слоями армирования равно высоте цепочки датчика радиальной деформации. Во время проведения испытания датчик, установленный в зоне армирования, регистрирует момент увеличения радиальной деформации, что соответствует потере контакта («срыву») армирующих слоев, когда грунт, расширяясь под действием приложенной к образцу нагрузки, выходит за границы геосинтетического материала. На основе этих показателей при различных боковых давлениях строится график, определяющий угол трения.
Армирование дисперсных грунтов горизонтальными элементами типа геотекстилей и георешеток позволяет значительно снизить затраты на устройство грунтовых конструкций. Оценка совместной работы грунта и арматуры и разработка простых и недорогих методик испытаний для проведения такой оценки позволяют более эффективно применять горизонтальное армирование геосинтетическими материалами в строительной практике.
Искусственный интеллект оценил техническое состояние производственных сооружений.
Ученые Пермского Политеха разработали программу, которая автоматически определяет техническое состояние сооружения с помощью ИИ. Для ее обучения использовали материалы технических отчетов за 1997 - 2024 гг. Это позволит проводить своевременный ремонт и тем самым снизить риски аварий и катастроф.
В выборку для обучения нейросети вошли колонны, вертикальные и горизонтальные связи, главные и второстепенные балки перекрытий и покрытия, данные о монолитных плитах и так далее. В качестве входных данных учитывались все параметры, встречающиеся при обследовании перегрузочных узлов: уровень коррозии материала, состояние защитного покрытия, узлов, данные расчетов, нарушения целостности. В зависимости от их сочетания друг с другом ИИ определяет, к какой категории следует отнести конструкцию и требуется ли ей ремонт.
В ходе экспериментов модель показала до 95% точности и уже может применяться в строительстве. В дальнейшем планируется проверить ее на большем количестве данных и доработать в полноценного бота в Telegram. Там молодым специалистам будет гораздо удобнее и проще работать с программой.
Создана нейронная сеть для отслеживания усталостных трещин.
Один из наиболее опасных и трудно прогнозируемых дефектов материалов - усталостное повреждение, то есть разрушение в результате повторяющихся нагрузок. Ученые НИЦ «Курчатовский институт» - ВИАМ предложили способ калибровки, основанный на нанесении реперных меток в виде штрихкодов на поверхность образца.
Так видеокамеры «самонастраиваются» под каждую серию изображений и могут автоматически корректировать свое положение относительно поверхности образца в случае распространения усталостной трещины за поле контроля.
Представленную нейросетевую модель можно использовать для автоматического контроля положения и длины усталостной трещины при испытаниях на СРТУ. Это позволит автоматизировать процесс контроля за ростом трещины, а также повысит точность результатов.
Разработано устройство для быстрого обнаружения дефектов на подшипниках.
Ученые Пермского Политеха запатентовали вспомогательное устройство, которое повышает качество такого контроля. Разработка обеспечивает получение стабильного и полного изображения поверхностей подшипника при минимальных затратах и без ручного вмешательства контролера.
Разработка включает в себя корпус, где установлены привод с электродвигателем и цилиндрический редуктор, а также опорные валы, на которых размещаются сами кольца подшипника. Валы, в свою очередь, связаны ременной передачей (ремнем). Конструкция устройства обеспечивает медленное вращение валов с одинаковой заданной скоростью.
При вращении изделия осматриваемая поверхность плавно перемещается под окуляром микроскопа без ручного вмешательства контролера. Изображение, получаемое с камеры микроскопа в процессе непрерывного осмотра всей рабочей поверхности детали, передается на экран монитора без рывков и колебаний, что облегчает идентификацию дефектов и исключает вероятность недосмотра участков, на которых они могут присутствовать.
На данный момент устройство используется при проведении входного контроля деталей подшипников, предназначенных для испытаний на контактную усталость. Также оно может быть полезно отделам технического контроля, осуществляющими приемочный, входной, периодический и другие виды контролей деталей подшипников качения.
Владислав Крупен
Фото: https://a-ing.ru, https://stroi.mos.ru
Этот материал опубликован в апрельском номере Отраслевого журнала «Строительство». Весь журнал вы можете прочитать или скачать по ссылке:
Комментарии