Мониторинг структур
Основной целью мониторинга состояния конструкций (МСК) (Structural Health Monitoring – SHM) является диагностирование в каждый момент жизненного цикла объекта состояния материалов его компонент, различных частей конструкции, а также всего объекта в целом. Для нормальной эксплуатации объекта параметры, характеризующие его состояние, должны оставаться в допустимых диапазонах, определенных на этапах разработки. Основными факторами, влияющими на состояние конструкции, считаются износ в ходе эксплуатации, воздействие негативных внешних факторов (температура, влажность и др.), а также некоторые форс-мажорные явления (землетрясения, наводнения, извержения вулканов и пр.). Непрерывность по времени процесса МСК позволяет накапливать информацию об изменении состояния объекта и в дальнейшем с использованием различных математических моделей прогнозировать накопление и развитие повреждений и остаточный срок службы.
Если рассматривать только функцию диагностики, то МСК можно считать новым, улучшенным подходом в традиционном неразрушающем контроле (НК). Однако концепция МСК существенно шире классического НК, поскольку предполагает интеграцию системы сенсоров, блоков сбора и передачи данных и вычислительных мощностей для их обработки непосредственно в эксплуатируемую структуру. Внедрение МСК предполагает пересмотр процессов проектирования элементов конструкций, изменение организации процесса эксплуатации, как отдельных элементов конструкции, так и всего объекта в целом.
На приведенном рисунке показана схема типичной системы МСК. Первая часть такой системы, отвечающая за мониторинг физической целостности конструкции, определяется, во-первых, типом физического явления (соотносится с типом повреждения, которое необходимо обнаружить), мониторинг которого осуществляется сенсорами, и, во-вторых, типом физического явления, которое используется сенсором для генерирования диагностического сигнала, посылаемого подсистеме сбора и хранения информации. Из нескольких сенсоров одного типа формируется сеть; получаемая с ее помощью информация объединяется с данными сетей сенсоров других типов. С использованием сенсоров, измеряющих условия окружающей среды, становится возможным реализовать функцию мониторинга процессов эксплуатации. Сигналы, генерируемые системой мониторинга целостности, параллельно с измеренными ранее данными используются для диагностики состояния конструкции. Комбинируя информацию от подсистем мониторинга целостности с данными подсистемы мониторинга процессов эксплуатации, а также с базой знаний о механизмах образования и развития различных видов повреждений, можно сделать прогноз об остаточном сроке службы конструкции и осуществить «менеджмент здоровья» объекта (определить порядок технического обслуживания, организовать ремонтные работы и т.д.).
Основными положительными эффектами внедрения систем МСК считаются следующие:
а) возможность оптимальной эксплуатации конструкции, минимизация времени простоя, предотвращение возможного разрушения;
б) расширенные возможности при конструировании новых объектов;
в) коренное изменение в организации работ служб технического обслуживания и ремонта, заключающееся в замене периодического обслуживания через равные интервалы времени на обслуживание по текущему техническому состоянию или, по крайней мере, в уменьшении затрат на демонтаж и проверку тех частей конструкции, в которых по данным системы МСК дефекты отсутствуют. Кроме того, существенно уменьшается влияние человеческого фактора (трудовые затраты, возможные ошибки персонала и пр.), что должно способствовать повышению надежности технического обслуживания.
Исследования коллектива ИММИ в области мониторинга состоянии конструкций сосредоточены на развитии математических и компьютерных моделей физических явлений и процессов, используемых в МСК.
