Идентификация дефектов в клине с покрытием на основе методов ультразвукового неразрушающего контроля и сверточных нейронных сетей

Автор: Соловьев А.Н., Соболь Б.В., Васильев П.В., Сеничев А.В., Новикова А.И.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 1, 2023 года.

Бесплатный доступ

Рассматривается идентификация трещиноподобного дефекта в клине, усиленного покрытием на основе ультразвукового неразрушающего контроля. Авторы предлагают подход идентификации дефекта с последующим определением его геометрических параметров. Подход основан на теневом методе ультразвукового неразрушающего контроля в сочетании с технологиями глубокого машинного обучения. Инспектируется клиновидная область на наличие внутреннего дефекта. На одной грани клина расположен источник ультразвуковых колебаний, на противоположной грани - приемник. Проходя через покрытие и тело клина, часть сигнала отражается от неоднородностей и дефектов, которые могут присутствовать в нем. Сигнал, достигший противоположной грани клина, считывается приемником. Полученные данные обрабатываются нейросетевой моделью, которая прогнозирует наличие или отсутствие внутреннего дефекта, и в случае его наличия определяет геометрические параметры, такие как размер и положение. Построена конечно-элементная модель распространения ультразвуковой волны внутри клина. Применяются специальные демпфирующие слои, благодаря которым существенно снижается влияние паразитных отражений сигнала и его дальнейшее распространение в тело клина. На основе построенной модели реализован теневой метод ультразвукового сканирования. Данный метод предполагает, что на одной стороне клина устанавливаются возбуждающие сигнал устройства, а на противоположной стороне - принимающие. С помощью системы распределенных вычислений проведен ряд численных экспериментов для различных комбинаций геометрических параметров клина и дефекта. На основе полученных данных построена и обучена нейросетевая модель, способная идентифицировать дефект и определять его характеристики. На вход модели поступают спектрограммы считанного сигнала, а на выходе получаются значения, характеризующие дефект.

Еще

Ультразвуковой неразрушающий контроль, сверточные нейронные сети, тонкое покрытие, упругий клин, трещина, дефектоскопия, машинное обучение, искусственные нейронные сети, идентификация дефектов, конечно-элементное моделирование

Короткий адрес: https://sciup.org/146282643

IDR: 146282643   |   УДК: 539.3   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2023.1.11

Identification of defects in a coating wedge based on ultrasonic non-destructive testing methods and convolutional neural networks

The paper deals with the identification of a crack-like defect in a coated wedge based on ultrasonic nondestructive testing. The authors propose an approach of defect identification followed by determination of its geometrical parameters. The approach is based on a shadowed ultrasonic nondestructive testing method combined with deep machine learning technologies. A wedge-shaped area is inspected for the presence of an internal defect. On one edge of the wedge there is a source of ultrasonic vibrations, on the opposite edge there is a receiver. Passing through the coating and body of the wedge, part of the signal is reflected from inhomogeneities and defects that may be present in it. The signal reaching the opposite edge of the wedge is read by the receiver. The received data is processed by a neural network model, which predicts the presence or absence of an internal defect and, if present, determines geometric parameters such as size and position. A finite element model of ultrasonic wave propagation inside the wedge is constructed. Special damping layers are used, due to which the influence of parasitic signal reflections and its further propagation into the wedge body is significantly reduced. Based on the built model, the shadow method of ultrasonic scanning is implemented. This method implies that on one side of the wedge are installed excitation devices, and on the opposite side - receiving devices. Several numerical experiments for various combinations of geometric parameters of the wedge and the defect have been performed using a distributed computing system. Based on the obtained data, a neural network model was built and trained, capable of identifying the defect and determining its characteristics. The input of the model is spectrograms of the readout signal, and the output is values characterizing the defect.

Еще

Список литературы Идентификация дефектов в клине с покрытием на основе методов ультразвукового неразрушающего контроля и сверточных нейронных сетей

  • Samanta S., Mandal A., Thingujam Jackson Singh. Application of ANN in Identifying Defects in Impacted Composite // Procedia Materials Science. - 2014. - Vol. 6. - Р. 926-930.
  • van Sloun R.J.G., Cohen R., Eldar Y.C. Deep Learning in Ultrasound Imaging // Proceedings of the IEEE. - 2020. -Vol. 108, no. 1. - P. 11-29. DOI: 10.1109/JPR0C.2019.2932116
  • Черпаков А.В., Акопьян В.А., Соловьев А.Н. Алгоритм многопараметрической идентификации дефектов стержневых конструкций [Электронный ресурс] // Техническая акустика: электронный журнал. - URL: http://www.ejta.org. - 2013. - № 1.
  • Bar H.N., Bhat M.R., Murthy C.R.L. Identification of failure modes in GFRP using PVDF sensors: ANN approach // Composite Structures. - 2004. - Vol. 65, iss. 2. - P. 231-237.
  • Use of an improved ANN model to predict collapse depth of thin and extremely thin layered rock strata during tunneling / Dong-Fang Chen, Xia-Ting Feng, Ding-Ping Xu, Quan Jiang, Cheng-Xiang Yang, Pin-Pin Yao // Tunnelling and Underground Space Technology. - 2016. - Vol. 51. - P. 372-386.
  • Ватульян А.О. Обратные задачи в механике деформируемого твёрдого тела. - М.: Физматлит, 2007. - С. 224.
  • Ermolov I., Aleshin N., Potapov A. Non-destructive testing. Acoustic methods of control. - Moscow: High School, 1991.
  • Willcox M.A. A Brief Description of NDT Techniques. -Toronto: NDT Equipment Limited, 2003. - 54 p.
  • Hesthaven J.S., Warburton T. Nodal Discontinuous Galerkin Methods: Algorithms, Analysis, and Applications. -Springer, 2008.
  • Soloviev A., Sobol B., Vasiliev P. (2019) Identification of Defects in Pavement Images Using Deep Convolutional Neural Networks // Parinov I., Chang S.H., Kim Y.H. (eds) Advanced Materials. Springer Proceedings in Physics. - 2009. - Vol 224.
  • Васильев П.В., Сеничев А.В. Применение нейросете-вых технологий в задаче контроля поверхностных дефектов // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. - 2020. - № 1ю. - С. 33-40.
  • Cao Vu Dung, Le Duc Anh, Autonomous concrete crack detection using deep fully convolutional neural network // Automation in Construction. - 2019. - Vol. 99. - P. 52-58.
  • Deep Learning in Medical Ultrasound Analysis: A Review / Shengfeng Liu, Yi Wang, Xin Yang, Baiying Lei, Li Liu, Shawn Xiang Li, Dong Ni, Tianfu Wang // Engineering. - 2019. -Vol. 5, iss. 2. - P. 261-275.
  • Gradient-based learning applied to document recognition / Y. LeCun [et al.] // Proceedings of the IEEE. - 1998. - Vol. 86, iss. 11. - P. 2278-2324.
  • Ioffe S., Szegedy C. Batch normalization: Accelerating deep network training by reducing internal covariate shift // CoRR. - 2015. - 9 p. - DOI: abs/1502.03167
  • Соловьев А.Н., Соболь Б.В., Васильев П.В. Ультразвуковая локация внутренних трещиноподобных дефектов в составном упругом цилиндре с применением аппарата искусственных нейронных сетей // Дефектоскопия. - 2016. - № 3. -C. 3-9.
  • Идентификация трещиноподобного дефекта и исследование концентрации напряжений в полосе с покрытием / Соболь Б.В., Соловьев А.Н., Рашидова Е.В., Васильев П.В. // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2019. - № 4. -С. 165-174. DOI: 10.15593/perm.mech/2019.4.16
  • Andreaus U., Baragatti P. Cracked beam identification by numerically analysing the nonlinear behaviour of the harmonically forced response // Journal of Sound and Vibration. - 2011. -Vol. 330(4). - P. 721-742.
  • Andreaus U., Casini P. Identification of multiple open and fatigue cracks in beam-like structures using wavelets on deflection signals // Continuum Mechanics and Thermodynamics. -2016. - Vol. 28(1-2). - P. 361-378.
  • Placidi L., Misra A., Barchiesi E. Simulation results for damage with evolving microstructure and growing strain gradient moduli // Continuum Mechanics and Thermodynamics. - 2019. -Vol. 31(4). - P. 1143-1163.
  • Hemivariational continuum approach for granular solids with damage-induced anisotropy evolution / D. Timofeev, E. Barchiesi, A. Misra, L. Placidi // Mathematics and Mechanics of Solids. - 2021. - Vol. 26(5). - P. 738-770.
  • Cuomo M., Contrafatto L., Greco L. A variational model based on isogeometric interpolation for the analysis of cracked bodies // International Journal of Engineering Science. - 2014. -Vol. 80. - P. 173-188.
  • A continual model of a damaged medium used for analyzing fatigue life of polycrystalline structural alloys under thermal-mechanical loading / I.A. Volkov, L.A. Igumnov, F. dell'Isola, S.Y. Litvinchuk, V.A. Eremeyev // Continuum Mechanics and Thermodynamics. - 2020. - Vol. 32(1). - P. 229-245.
  • Qualitative pivot damage analysis in aluminum printed pantographic sheets: numerics and experiments / M. Spagnuolo, K. Barcz, A. Pfaff, F. dell'Isola, P. Franciosi // Mechanics Research Communications. - 2017. - Vol. 83. - P. 47-52.
  • Berezovski A., Yildizdag M.E., Scerrato D. On the wave dispersion in microstructured solids // Continuum Mechanics and Thermodynamics. - 2020. - Vol. 32(3). - P. 569-588.
  • Turco E. Tools for the numerical solution of inverse problems in structural mechanics: review and research perspectives // European Journal of Environmental and Civil Engineering. -2017. - Vol. 21(5). - P. 509-554.
  • Bilotta A., Morassi A., Turco E. Quasi-isospectral Sturm-Liouville operators and applications to system identification // Procedia engineering. - 2017. - Vol. 199. - P. 1050-1055.
  • A novel phase-field approach to brittle damage mechanics of gradient metamaterials combining action formalism and history variable / B.E. Abali, A. Klunker, E. Barchiesi, L. Placidi // ZAMM-Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Mechanik. -2021. - e202000289.
  • Глушков С.В., Скворцов Ю.В., Перов С.Н. Сравнение результатов решения задачи механики разрушения для трубыс несквозной трещиной // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2014. - № 3. - C. 36-49. DOI: 10.15593/perm.mech/2014.3.03
  • Моделирование технологических дефектов и оценка их влияния на статическую прочность композитных фланцев / А.Н. Аношкин, В.Ю. Зуйко, В.М. Осокин [и др.] // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2016. - № 2. - C. 5-21. DOI: 10.15593/perm.mech/2016.2.01
Еще