Тема: РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ МАТРИЧНОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ ДЛЯ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ФАСОННЫХ ОТЛИВОК

Актуальность работы. Обеспечение надёжности функционирования магистральных трубопроводов является актуальным вопросом газовой промышленности. Это обусловлено тем фактом, что аварии в подобных транспортных системах приводят к значительным экономическим и экологическим потерям. Одним из направлений обеспечения надежности функционирования магистральных газопроводов является техническая диагностика и неразрушающий контроль их компонентов на этапе производства.
При изготовлении компонентов газовых магистральных газопроводов широко применяется технология литья стали, которая используется, например, при производстве таких изделий ответственного назначения, как запорная арматура. В неразрушающем контроле отливок широкое распространение получил эхо-метод ультразвуковой дефектоскопии по причине его высокой чувствительности и точности определения координат дефектов.
На сегодняшний день, актуальным вопросом развития эхо-метода ультразвукового неразрушающего контроля является разработка методик и аппаратуры, которые позволяют решать не только задачу дефектоскопии, но и задачу дефектометрии несплошностей в объектах контроля. В связи с этим, большой интерес представляют системы ультразвуковой томографии, работа которых основана на применении технологии цифровой фокусировки антенной (ЦФА). В подобных системах используются антенные решетки (АР), а также реализуется когерентная обработка сигналов с использованием специальных алгоритмов. Подобный подход позволяет получать результаты в форме изображений структуры объектов контроля, обладающих высокой разрешающей способностью и высоким отношением сигнал/шум.
Как правило, дефекты являются объемными и могут быть ориентированы в объекте контроля случайным образом. По этой причине, трехмерные изображения являются наиболее предпочтительной формой представления результатов томографии в целях решения задачи дефектометрии. В связи с этим, большой интерес представляет применение матричных АР в системах ультразвуковой томографии. Это обусловлено тем фактом, что при использовании подобных преобразователей представляется возможным получать объемные изображения высокого разрешения при проведении ручного и автоматизированного контроля. Таким образом, внедрение матричных АР в системы ультразвуковой томографии позволит повысить эффективность решения задачи дефектометрии, что является важным вопросом развития методов и аппаратуры ультразвукового неразрушающего контроля.
На сегодняшний день применение матричных АР в системах ультразвуковой томографии ограничено. Это обусловлено тем фактом, что при использовании подобных преобразователей для восстановления изображения структуры объекта контроля требуется обработка большого объема данных. Это серьезным образом ограничивает возможности по получению результатов в режиме реального времени. Таким образом, важным вопросом разработки и внедрения систем ультразвуковой томографии с матричными АР является реализация специальных подходов, обеспечивающих высокую скорость восстановления изображений.
Объект исследования: ультразвуковая томография.
Предмет исследования: средства пространственно-временной обработки для ультразвуковой томографии с использованием матричных АР.
Цель работы: разработка средств пространственно-временной обработки для ультразвуковой томографии фасонных отливок с использованием матричных АР, обеспечивающих высокую скорость восстановления изображений структуры объекта контроля.
Для решения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Моделирование процесса распространения ультразвуковых волн в ультразвуковой томографии с использованием матричных АР;
2. Проведение сравнительного анализа различных подходов в реализации алгоритмов пространственно-временной обработки с применением компьютерноного моделирования;
3. Разработка экспериментального программного обеспечения
ультразвуковой томографии с использованием матричных АР, основой которого является разработанный алгоритм пространственно-временной обработки;
4. Создание экспериментального стенда для экспериментальной верификации алгоритма пространственно-временной обработки;
5. Экспериментальная верификация разработанного алгоритма
пространственно-временной обработки.
Положения, выносимые на защиту:
1. Сравнительный анализ различных подходов в реализации алгоритмов, обеспечивающих процесс обработки информативных сигналов в ультразвуковой томографии с использованием матричных АР.
2. Алгоритмическое программное обеспечение для обработки сигналов для автоматизированной ультразвуковой томографии с использованием матричных АР.
3. Результаты экспериментальной верификации разработанного программного обеспечения.
Научная новизна исследования
В работе были получены следующие новые научные результаты:
1. Предложен алгоритм пространственно-временной обработки с расчетами в частотной области для ультразвуковой томографии с использованием матричных АР, основанный на применении метода общей средней точки.
2. Получены результаты сравнительного анализа различных подходов в реализации алгоритма пространственно-временной обработки с использованием программного пакета CIVA.
Практическая значимость исследования
Полученные результаты могут быть использованы в разработке систем промышленной ультразвуковой томографии с использованием матричных АР. Подобные системы способны обеспечить высокую производительность контроля изделий и получения синтезированных изображений высокого качества, что позволит решать не только задачу дефектоскопии, но и задачу дефектометрии несплошностей в объекте контроля.
Практическая значимость также подтверждается выполнением автором в качестве соисполнителя следующих научно-исследовательских работ, посвященных разработке и применению ультразвуковых методов контроля:
1. ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014-2020 годы» - Разработка технологии интеллектуального производства ответственных пространственно-сложных фасонных деталей, соглашение о предоставлении субсидии от 26 сентября 2017 г. № 14.578.21.0251
2. Государственное задание «Наука», проект №11.3683/ПЧ по теме «Разработка технологии исследования образцов из композитных материалов методами неразрушающего контроля», 2017-2019 гг.
3. Государственное задание «Наука», проект №11.6342.2017/БЧ по теме: «Разработка научно-технических основ акустического анализа микроструктуры анизотропных материалов», 2017-2019 гг.
4. Х/д №17706413348180000850/16.02.01-617/2018 от 24.12.2018 г. по теме "Разработка, создание и поставка комплектующих и специализированной оснастки для опытного образца роботизированной установки ультразвукового контроля" (ФГАОУ ВО НИ ТПУ - ООО "ИнТех"), 2018-2020 гг.
Личный вклад автора
Проведение сравнительного и экспериментального анализа различных подходов в реализации алгоритма пространственно-временной обработки; разработка компьютерной модели в программном пакете CIVA; разработка программного обеспечения для ультразвуковой томографии с использованием матричных АР; проведение экспериментальной верификация эффективности разработанного ПО.

Купить

Выполненная работа посвящена развитию средств ультразвуковой томографии фасонных отливок. Актуальным вопросом развития методов и средств ультразвукового контроля является повышение достоверности его результатов. Одним из перспективных подходов является ультразвуковая томография на основе технологии ЦФА с использованием матричных АР, позволяющая получать трехмерные результаты с высокой разрешающей способностью, что делает возможным эффективно решать задачу дефектометрии несплошностей в объектах контроля. Использование матричных АР и технологии ЦФА связано с необходимостью пространственно-временной обработки значительного объема данных при восстановлении изображений структуры контролируемых объектов. Таким образом, важным вопросом является разработка средств, направленных на восстановление изображений внутренней высокого качества с высокой скоростью.
Основные результаты исследования, проведенного в диссертационной работе, приведены ниже:
1. Проведен сравнительный анализ различных подходов в реализации
алгоритмов пространственно-временной обработки с применением
компьютерного моделирования. Сравнительный анализ включал оценку качества и скорости получения изображений структуры объектов контроля при использовании различных подходов в реализации алгоритмов пространственновременной обработки. Проведенный сравнительный анализ показал, что алгоритм с расчетами в частотной области является наиболее эффективным для решения задач ультразвуковой томографии с использованием матричных АР. Данный алгоритм включает в себя использование метода общей средней точки, метода фазового сдвига и интерполяцию Столта.
2. На основе полученных результатов сравнительного анализа был разработан алгоритм пространственно-временной обработки с расчетами в частотной области, обеспечивающий восстановление изображений АР при
различных условиях проведения ультразвуковой томографии. Данный алгоритм являлся основой экспериментального программного обеспечения
пространственно-временной обработки сигналов для ультразвуковой томографии с использованием матричных АР.
3. Для проведения экспериментальной верификации разработанного алгоритма пространственно-временной обработки был создан экспериментальный стенд. Основными узлами экспериментального стенда является манипулятор, многоканальный блок электроники, и управляющий компьютер. Данный экспериментальный стенд позволяет проводить проверку разработанного алгоритма при различных условиях проведения ультразвуковой томографии.
4. Была проведена экспериментальная верификация разработанного алгоритма пространственно-временной обработки. Полученные результаты экспериментальной верификации свидетельствуют о том, что разработанный алгоритм пространственно-временной обработки способен обеспечивать восстановление синтезированных изображений с высокой разрешающей способностью. Соответственно, такие изображения позволяют эффективно решать задачу дефектометрии несплошностей в объектах контроля.

Купить