Разработка и реализация алгоритмов метода фотометрического анализа изображений структуры материалов

Исследования, проведенные в рамках данной работы, посвящены вопросам алгоритмизации и построения вычислительных процедур для реализации метода фотометрического анализа изображений структуры материалов. Данный метод предназначен для анализа реального состояния конструкционных материалов на основе изучения их отражающей способности. Разработка метода была начата в тот момент, когда стало ясно, что ни один из существующих на сегодняшний день металловедческих методов исследования материалов не позволяют решить ряд ключевых вопросов, которые связаны с задачей анализа усталостного разрушения материалов. Дело в том, что указанная задача носит комплексный характер и отдельные аспекты, существенные для ее целостного понимания, являются предметами исследования наук разного профиля, а именно, механики, физики твердого тела и материаловедения. В предшествующих работах по данной тематике были выявлены рсновные факторы, снижающие сопротивление усталостному разрушению материалов. Однако до сих пор не удавалось создать, единую расчетную схему для оценки, усталостной поврежс даемости из-за многочисленности этих факторов, их качественного разнообразия и невозможности количественного представления нескольких наиболее важных факторов. К тому же, все существующие методы анализа напряженно-деформированного состояния материала построены на представлениях механики сплошных сред и не учитывают возможность деградации конструкционных материалов в процессе эксплуатации. Между тем, было неоднократно и бесспорно установлено, что В! процессе эксплуатации объектов снижается их сопротивление усталостным нагрузкам.

Таким образом можно констатировать, что до настоящего времени отсутствовали способы точной оценки реального состояния конструкционных материалов, что существенно осложняло принятие решений о возможности дальнейшей эксплуатации оцениваемых металлоконструкций. Исходя из вышесказанного, разработка нового метода анализа напряженно-деформированного состояния материала, который учитывал бы изменения срстояния конструкционных материалов, является актуальной задачей.

Основной целью настоящей диссертационной работы была разработка аналитических процедур и вычислительных алгоритмов на основе метода фотометрического анализа изображений структуры материалов. В связи с намеченной целью были поставлены следующие ключевые задачи исследования:

• проведение системного анализа предметной области и существующих методов анализа напряженно-деформированного состояния конструкционных материалов;

• реализация, апробация и модификация алгоритма предварительного исследования поверхности металлоконструкций на основе метода фотометрического анализа изображений структуры материалов;

• разработка алгоритма для получения количественной оценки степени поврежденности материала после циклической нагрузки, который предоставил бы всю необходимую информацию для определения долговечности исследуемого материала;

• разработка алгоритма построения кривой усталости исследуемого образца материала. Создаваемый алгоритм должен заменить стандартные механические испытания на усталость и при этом существенно уменьшить финансовые и временные затраты на испытания;

• разработка метода неразрушающего анализа локального напряженно-деформированного состояния материала. Одним из требований к создаваемому методу является возможность его использования независимо от технологической или эксплуатационной предыстории формирования материала;

• разработка архитектуры информационно-аналитического комплекса для реализации вычислительных алгоритмов и аналитических процедур на основе метода фотометрического анализа изображений структуры материалов;

• создание программно-аппаратного комплекса, реализующего как базовые алгоритмы метода фотометрического анализа изображений структуры материалов, так и новые алгоритмы, разработанные в рамках данного исследования.

Научная новизна данного исследования следует изг новизны разработки метода фотометрического анализа изображений структуры материалов, как нового метода оценки структурной, поврежденности конструкционных материалов и состоит в следующем:

•* проведен системный анализ предметной области и предложены новые схемы получения-и обработки > информации о реальном состоянии конструкционных материалов;

• реализован, апробирован и модифицирован алгоритм предварительного исследования поверхности-металлоконструкций на основе метода фотометрического анализа изображений структуры материалов;

• > разработанапроцедура получения* количественной оценки степени поврежденности материала после циклической нагрузки;

• разработан алгоритм построения кривой-усталости по данным исследования ограниченной серии образцов материала (3−4 образца) — • разработан метод неразрушающего анализа* локального напряженно-деформированного состояния материала, позволяющий определить пластические деформации, локальные остаточные напряжения и главные действующие напряжения в исследуемомобразце материала.

Данная.диссертационная работа включает в себя введение, четыре главы, заключение, библиографический список и два"приложения. Краткая аннотация частей работы выглядит следующим образом.

Заключение

.

Основным результатом диссертационной работы являются разработанные алгоритмы и аналитические процедуры метода фотометрического анализа изображений структуры материалов. Предложенные алгоритмы реализованы в виде специализированного информационно-аналитического комплекса, который получил название «Фотометрический анализатор структурных изображений» (ФАСИ). Для исследуемого образца материала разработанный комплекс дает возможность:

• построить кривую усталости материала по результатам испытаний ограниченной серии образцов (3−4 образца), которая дает более достоверные данные, чем аналогичная кривая, полученная для того же материала в результате стандартных механических испытаний на усталость полноценной серии образцов, принятой в металловедении (25−50 образцов);

• вычислить значения действующих напряжений и достигнутых пластических деформаций на основе разработанного алгоритма анализа локального напряженно-деформированного состояния материала, который можно применять в любом месте исследуемого объекта;

• найти локальные остаточные напряжения в исследуемом объекте независимо от технологической или эксплуатационной предыстории формирования объекта;

• определить на основе разработанных алгоритмов определения локальных напряжений и пластических деформаций полный набор данных, необходимых для построения кривой деформирования исследуемого материала при циклических нагрузках;

• количественно оценить степень поврежденности материала после циклической нагрузки вплоть до оценки ее критического значения, характерного для стадии разрушения;

• дать прогноз долговечности исследуемого материала в виде количества циклов или времени до его разрушения по данным оценок степени усталостной поврежденности данного материала.

Практическое применение построенного программно-аппаратного комплекса можно проиллюстрировать следующим образом:

• использование разработанных алгоритмов и процедур ФАСИ для анализа и оценки результатов выбора режимов упрочняющей обработки стали 08КП по способу, ранее предложенному специалистами ГВЭМ ИМЕТ РАН, позволило увеличить временное сопротивление разрыву с 35% до 320%и повысить предел прочности материала с 420 МПа до 1362 МПа;

• применение предложенных алгоритмов для прогнозирования кривых усталости этой же стали дало возможность построить кривую усталости по данным усталостных испытаний единственного образца, причем в процессе работы специально использовался образец, значение долговечности которого обладало наибольшим отклонением от среднего значения по всем исследованным образцам;

• разработанный метод определения действующих напряжений был использован для определения средних напряжений, приложенных к образцу стали 08КП. Полученные расчетные значения напряжений совпали с известным из эксперимента значением приложенных напряжений с разницей в 0.4%.

• предложенный высокоточный неразрушающий метод определения остаточных напряжений был успешно апробирован на образце из технически чистого алюминия (сплав АД-1). Расхождение между полученными результатами и результатами разрушающего метода Феодосьева, чаще всего применяемого для аналогичных целей в настоящее время, оказалось порядка 5%, что является очень хорошим показателем для данной предметной области;

• на основе разработанных алгоритмов получена температурная зависимость повреждаемости аморфного сплава Ег6^ЬБСи2<^Ре1, которую прежде можно было получить только при использовании атомных силовых микроскопов, обладающих сверхвысоким разрешением.

Основные достижения разработанного программно-аппаратного комплекса можно сформулировать следующим образом:

• универсальность применения разработанных алгоритмов. Данные алгоритмы могут использоваться для исследования деградации структурного состояния конструкционных материалов, независимо от природы внешних воздействий, которые применялись к исследуемым материалам;

• отсутствие необходимости в разрушении исследуемого объекта. Все предложенные процедуры обработки данных являются поверхностными и не-разрушающими, т. е. их можно применять для исследования реально эксплуатируемых объектов, например, для анализа состояния поверхности обшивки действующих самолетов;

• независимость от источника изображений поверхности материалов. Разработанные алгоритмы реализованы в виде отдельного программного комплекса, который не привязан к специализированному устройству для ввода информации, а значит позволяет обрабатывать произвольные изображения п о-верхности металлоконструкций;

• значительное снижение финансовых и временных затрат. На основе проведенных предварительных подсчетов можно говорить о снижении затрат в 8−12 раз в результате использования предложенных алгоритмов для проведения исследований образцов конструкционных материалов;

• возможность в ряде случаев заменить специализированные физические приборы. В процессе разработки алгоритмов метода фотометрического анализа был реализован набор вспомогательных процедур, которые повторяют аналитические и измерительные возможности различных приборов. Среди таких приборов можно, например, назвать квантимет и денситометр.

При рассмотрении возможностей дальнейшего развития данной работы нужно, в первую очередь, использовать преимущества метода конечных элементов. Применение данного метода позволит достаточно сильно ускорить процессы исследования составных металлоконструкций за счет возможности совместного анализа граничных условий для соседних элементов этих конструкций.

Также имеет смысл более подробно исследовать вопрос совместного анализа целой серии изображений образца материала, полученных в одном и том же месте металлоконструкции через определенные промежутки времени. Скорее всего, переход от двух изображений, которые подвергаются анализу в настоящий момент, к серии последовательных изображений даст возможность получить более подробную картину динамического изменения свойств исследуемого материала.