Металлы и сплавы — это основа современной промышленности, и их ключевые свойства — прочность, пластичность и долговечность — определяются скрытой от глаз внутренней структурой. Она состоит из множества микроскопических кристаллов, называемых зернами. Их строение, размер, форма и взаимное расположение влияют на физико-механические свойства материала, а от этого зависит способность металлических деталей выдерживать экстремальные и длительные эксплуатационные воздействия.

Алюминий и алюминиевые сплавы остаются одними из широко применяемых материалов в современных высокотехнологичных отраслях. Благодаря малому весу, хорошей формуемости и прочности их используют в аэрокосмической, транспортной и судостроительной промышленности при создании корпусных конструкций (например, элементов фюзеляжа самолета, кузовов автомобиля и вагонов) и деталей различного назначения, а также в строительстве при изготовлении плит, профилей, труб, поковок.

Во всех этих процессах производства металл подвергается интенсивной термомеханической обработке — прокатке, ковке, прессованию, штамповке. Из-за этого его внутреннее строение претерпевает серьезные изменения за счет действия различных механизмов. При этом реализация каждого из них чувствительна к температуре и скорости деформации. Механические и температурные воздействия деформируют кристаллическую структуру металла, создавая внутренние напряжения. Они могут приводить к ряду проблем, таких как снижение пластичности, прочности, трещиностойкости, что уменьшает долговечность изделия. Так, при длительном нагреве детали выше критической температуры происходит изменение свойств со временем из-за перераспределения элементов структуры внутри материала, что может привести к уменьшению прочности. К примеру, цилиндры и поршни автомобильного двигателя работают в условиях экстремальных температур и эффективное охлаждение является критически важным для предотвращения их перегрева и разрушения.

Поэтому одной из ключевых задач является прогнозирование структурных изменений материала и создание металлических деталей с улучшенными эксплуатационными характеристиками. Для этого инженеры, как правило, применяют различные методы разрушающего и неразрушающего контроля. В первом случае для определения свойств материала заготовка частично или полностью разрушается, второй способ имеет высокую стоимость и большую трудоемкость, что сказывается на процессах производства.

Альтернативой экспериментальным методам выступают компьютерные модели, при создании которых разработчики сталкиваются с дилеммой точности описания и ее производительности. Упрощенные модели, обладая высокой скоростью расчетов, дают приблизительные результаты, игнорируя, к примеру, такие важные факторы, как отличия температурно-скоростных воздействий в различных зонах изделия и предысторию их изменения. В то же время, сложные и точные комплексы, способные корректно описывать физические процессы, требуют больших вычислительных мощностей и временных затрат, что делает их неприменимыми в условиях реального промышленного производства.

Ученые Пермского Политеха разработали модифицированную двухуровневую статистическую модель, которая позволяет качественно и количественно корректно описывать не только процессы изотермического деформирования с постоянной скоростью деформации, но и процессы с изменением температурно-скоростных условий, что характерно для многих технологических процессов. Данный метод позволяет отслеживать, как меняется кристаллическая и дефектная структура материала при деформировании в зависимости от изменения температуры и скорости воздействия, оценить изменение предела текучести и анизотропии свойств.

Например, в транспортной промышленности высокие показатели пределов текучести и прочности элементов каркаса, обшивки кузовов важны для увеличения грузоподъемности и уменьшении эксплуатационных расходов. А анизотропия свойств приводит к тому, что заготовка может быть прочнее в одном направлении по сравнению с другим. Это может происходить, к примеру, после обработки прокаткой или прессованием. Поэтому при проектировании и эксплуатации деталей необходимо это эффективно применять.

Разработанная модель базируется на многоуровневом подходе, позволяющем описывать поведение материала при деформировании на различных масштабных уровнях. При этом в ее структуру включены параметры, отражающие действие реальных механизмов деформирования на уровне отдельных кристаллических зерен и эволюцию структуры материала, а также их реакцию на изменение температурно-скоростных условий. Иначе говоря, в данном случае модель выполняет роль «цифрового микроскопа» и дает возможность проанализировать внутреннюю структуру и свойства материала в зависимости от приложенных воздействий.

Для идентификации модели, то есть определения ее параметров, ученые использовали результаты экспериментальных исследований, в которых алюминиевый сплав подвергался сжатию при различных постоянных температурах (от -40 °C до +232 °C) и скоростях деформации.

– Верификация модели осуществлялась с использованием экспериментальных данных по испытаниям с изменяющимися температурно-скоростными условиями. Ее проверяли на резких скачках скорости и температуры (что может наблюдаться в реальных процессах термообработки) и на способности описывать изменение текстуры (распределения ориентаций решеток кристаллических зерен) материала при деформации. Для всех этих сложных сценариев разработка показала хорошие результаты, – рассказал Алексей Швейкин, проректор по науке и инновациям, ведущий научный сотрудник лаборатории многоуровневого моделирования конструкционных и функциональных материалов ПНИПУ, доктор физико-математических наук.

Внедрение созданного инструментария в цикл цифрового проектирования позволит машиностроительными предприятиям оптимизировать процессы изготовления и термообработки, создавая детали с лучшими эксплуатационными свойствами.

– Наша разработка может быть полезна, в первую очередь, предприятиям аэрокосмической и транспортной промышленности. Дальнейшее развитие модели будет в дополнении ее учетом механизмов реализации сверхпластического деформирования. Сегодня на некоторых предприятиях России реализуются такие процессы, позволяющие уменьшить число сварных швов, расход материала, повысить эксплуатационные характеристики изделия. Однако, эти процессы крайне чувствительны к условиям, создаваемым на производственной установке, и технологи буквально вручную «нащупывают» нужные режимы, что очень затратно по времени. Мы разрабатываем модель, которая позволит автоматизировать процесс поиска оптимальных режимов сверхпластической формовки, в том числе для изготовления новых изделий, – прокомментировал Алексей Швейкин.

— К классическому арсеналу электронных помощников относятся три ключевые системы: антиблокировочная ABS, сохраняющая вращение колес при экстренном торможении, интеллектуальный распределитель усилий EBD, дозирующий нагрузку для каждого колеса, и стабилизирующая ESP, предотвращающая потерю управления в заносе. К ним добавились более сложные «помощники»: автоматическое экстренное торможение, способное само распознать препятствие и остановить автомобиль, адаптивный круиз-контроль, который не просто поддерживает скорость, а следит за дистанцией до впереди идущей машины, и ассистенты удержания в полосе, мягко подруливающие, если машина начинает непреднамеренно съезжать со своей полосы, — рассказывает Даниил Курушин, доцент кафедры «Информационные технологии и автоматизированные системы» ПНИПУ, кандидат технических наук.

Активная безопасность особенно критична в ситуациях, где человеческая реакция запаздывает или недостаточна. Это резкое неожиданное торможение впереди идущего транспорта, потеря сцепления и угроза заноса на мокрой или обледенелой дороге, а также непреднамеренный выезд из полосы из-за усталости или потери концентрации. В таких сценариях электроника действует на опережение, исправляя ошибки того, кто за рулем, или дополняя его действия.

Проблема в том, что, в отличие от опытного водителя, интуитивно оценивающего дорогу по множеству факторов (звук, вибрация, поведение авто), автоматика «видит» мир лишь через данные ограниченного числа датчиков. Это приводит к нескольким типам проблем.

— Например, ассистент удержания в полосе может создать аварийную ситуацию, перестав распознавать разметку на проезжей части ввиду наличия осадков, грязи и других факторов, потребуя взять контроль за управлением транспортным средством. Еще более опасна некорректная работа системы экстренного торможения, которая может принять перестраивающийся или выезжающий со второстепенной дороги автомобиль за объект на пути следования или тень от моста и крутой подъем за препятствие и вызвать ничем не обоснованное торможение для участников дорожного движения, что чревато ударом сзади, особенно на малых дистанциях в условиях городского движения от попутного транспортного средства,— объясняет Алексей Щелудяков, директор Института дорожного строительства и транспорта ПНИПУ, кандидат технических наук, доцент.

По словам эксперта, может также возникнуть и «борьба за управление», когда решения системы входят в противоречие с действиями человека. Классический пример — объезд дефекта дорожной одежды или открытого люка. Водитель корректирует направление движения автомобиля, чтобы избежать препятствия, которое датчики не распознали.

— В этот момент «автопилот», «решив», что это уход с траектории движения, может начать притормаживать колеса и сбрасывать тягу, пытаясь вернуть автомобиль на исходную траекторию — прямо в яму. В этот момент управление может стать неинформативным, а автомобиль — не поддаваться коррекции. Аналогичный конфликт может произойти при агрессивном перестроении в соседнюю полосу движения, когда ассистент полосы посчитает маневр опасным и начнет тянуть машину обратно, применяя корректирующий курс с изменением усилия на рулевом колесе — говорит Алексей Щелудяков.

На случай сбоя системы важно сохранять хладнокровие и знать порядок действий. Если автомобиль самопроизвольно и резко затормозил, следует немедленно и уверенно нажать на педаль, чтобы переопределить команду ассистента, и включить аварийную сигнализацию. При самопроизвольном подруливании необходимо крепко удерживать руль и уверенно скорректировать траекторию, после чего найти возможность безопасно остановиться и перезагрузить систему или отключить проблемного «помощника».

— Еще две частые проблемы — это ложное срабатывание подушки безопасности, после которого важно немедленно остановиться и оценить обстановку, так как эта активация сопровождается дымом и шумом, и блокировка дверей после ДТП. В этом случае следует воспользоваться аварийным механическим приводом, обычно расположенным рядом с дверными петлями, — делится Даниил Курушин.

Пятая распространенная ситуация — отказ адаптивного круиз-контроля, который может перестать распознавать транспорт и окружающую обстановку. В этом случае требуется немедленно взять управление транспортного средства на себя. По этим причинам многие профессионалы на сложных участках дороги предпочитают отключать электронных «помощников», чтобы иметь полный контроль над автомобилем.

Эксперты подчеркивают, что грамотное использование активной безопасности действительно способно значительно снизить риск ДТП. Но при этом крайне опасно полностью полагаться на «интеллект» машины. Вместо этого водителям следует хорошо изучить рекомендации завода-изготовителя и особенности функционирования и всегда сохранять готовность мгновенно взять управление на себя и помнить, что даже когда автомобилем управляют автоматизированные системы, ответственность за их активацию и применение остается за человеком.

— Производители неоднократно подчеркивают: решение о доверии к автопилоту и обязанность постоянно контролировать его работу возлагаются на человека, находящегося за рулем. Несмотря на то, что ответственность за управлением автомобилем лежит на водителе, вопросы юридической ответственности в случае аварии с участием автономных систем до сих пор во всем мире являются предметом активных дискуссий, — подчеркивает Алексей Щелудяков.

Зимой налипающий на кабель лед может создавать колоссальную нагрузку, превышающую допустимые нормы. Результатом становятся обрывы проводов, поломки опор и цепная реакция аварийных отключений, что влечет за собой огромные экономические потери, в том числе из-за простоев.

Особую сложность представляет то, что традиционные методы борьбы с обледенением зачастую оказываются недостаточно эффективными или экономически невыгодными. Условно их можно заменить на пассивные и активные. К первым относятся усиление линий путем установки дополнительных опор и более прочных кабелей, использование специальных схем (особое крепление проводов для уменьшения вибраций) и демпферов (устройства-гасители колебаний), а также применение защитных спиралей и снегоотталкивающих колец (приспособления, мешающие льду и снегу плотно налипать на воздушные линии). Эти решения требуют значительных затрат, но не предотвращают саму проблему обледенения.

Активные подходы включают плавку льда электрическим током и механическую очистку, однако они опасны для персонала, требуют отключения энергии и сложного оборудования. Более современный подход — нанесение гидрофобных покрытий, создающих защитную пленку на проводах. Хотя такой способ известен, но до сих пор не существует устройств для его технического воплощения. Имеющиеся беспилотные аппараты, например, сельскохозяйственные дроны, не способны обеспечить необходимое позиционирование форсунки (распылителя жидкости) с точностью до сантиметров относительно линий электропередачи. Таким образом, на практике крайне сложно наносить специальные составы на протяженные высоковольтные линии, расположенные на большой высоте.

Ученые Пермского Политеха впервые создали беспилотный летательный аппарат, который способен самостоятельно и с высокой точностью обрабатывать провода линий электропередач противообледенительной жидкостью. Предложенная система позиционирования для борьбы с обледенением не имеет аналогов.

Внешне устройство напоминает обычный квадрокоптер с корпусом, разделенным на два отсека — верхний с системой управления, видеокамерой и насосом, и нижний, служащий резервуаром для жидкости. Главное отличие — интеллектуальная система позиционирования с метровым датчиком (длинный чувствительный стержень, определяющий точное расположение провода), выполняющим роль «искусственного зрения». Этот двухрежимный датчик работает как умная антенна: при наличии напряжения на линии регистрирует электромагнитное поле, а при его отсутствии переключается в емкостной режим, определяя приближение к кабелям.

— Процесс обработки начинается с получения метеопредупреждения об опасности обледенения. После заправки гидрофобным раствором оператор вручную подводит дрон к линии, ориентируя его с помощью видеокамеры так, чтобы датчик находился вблизи от линии. Затем система автоматически включает гидронасос и начинает движение вдоль линии, точно удерживая заданное расстояние. Распылительная форсунка, выведенная через боковую стенку корпуса, обеспечивает прицельное нанесение жидкости без потерь. При достижении следующей опоры аппарат останавливается и переключается в режим ручного управления для перехода на соседний провод, — рассказал Владимир Модорский, доктор технических наук, декан аэрокосмического факультета ПНИПУ.

Данная разработка открывает новые возможности для профилактического обслуживания ЛЭП, позволяя перейти от ликвидации последствий обледенения к их предотвращению. По сравнению с традиционными методами, такая обработка в разы экономичнее механической очистки и плавки льда током. При этом технология безопасна для работников и позволяет проводить обработку без прекращения подачи электроэнергии потребителям.

К тому же, в отличие от пассивных способов усиления конструкций, которые лишь повышают запас прочности, технология пермских ученых непосредственно предотвращает образование льда, обеспечивая более высокую эффективность защиты.

Секрет технологии в особом нейросетевом методе, который анализирует уникальный узор радужки, игнорируя все помехи. Представьте: камера снимает ваш глаз, а умный алгоритм без труда "видит" сквозь ресницы и точно определяет личность.

Как объясняют разработчики, они соединили классическую математику с искусственным интеллектом, создав гибридную систему. Это как если бы опытный сыщик получил в помощники суперкомпьютер — точность распознавания становится феноменальной.

Источник: https://mosregtoday.ru/news/soc/dekretnye-do-100-zarplaty-v-gosdume-predlozhili-revoljutsionnye-vyplaty-dlja-mnogodetnyh/?ysclid=mi5r1y2tp7843037616

При текущем уровне добычи рентабельных запасов нефти России хватит всего на 26 лет. Об этом заявил министр природных ресурсов и экологии Александр Козлов во время правительственного часа в Госдуме. Из 31 млрд тонн разведанных запасов экономически целесообразно извлекать лишь 13 млрд тонн, сосредоточенных в основном в традиционных регионах вроде Западной Сибири и Поволжья. При этом свыше 70% неразведанных ресурсов находятся в Арктике и зонах вечной мерзлоты, где добыча сопряжена с особыми сложностями. Без освоения этих месторождений страна уже в ближайшие десятилетия столкнется с резким падением добычи, что приведет к росту цен на топливо для населения и потере бюджетами важного источника доходов.

Основная проблема нефтедобычи на севере — это уникальная высоковязкая нефть. Чтобы поднять ее на поверхность, необходимо разогревать горную породу.

Самый эффективный метод — подача перегретого пара, который обеспечивает прогрев до температур 200-300°C, что позволяет ему нести больше тепловой энергии и не остывать при движении по скважине. Пар проникает в пласт и «растапливает» нефть прямо под землей, чтобы она могла подняться.

Для добычи высоковязкой нефти существуют и другие методы, но в условиях вечной мерзлоты каждый из них сталкивается с серьезными технологическими барьерами. Например, химические растворители требуют постоянных затрат и могут нанести вред экологии, а их эффект часто оказывается кратковременным. Внутрипластовое горение напоминает управление подземным пожаром — процесс плохо поддается контролю, может привести к безвозвратной потере части запасов и создает прямую угрозу безопасности: процесс может привести к резким выбросам пламени, разрушению скважин и возгоранию. Электрический нагрев потребляет колоссальные объемы энергии и экономически не оправдан для крупных месторождений. Механические методы, например, специализированные насосы, просто не справляются с экстремальной вязкостью нефти в таких условиях.

Пар остается наиболее практичным решением, потому что сочетает высокую эффективность прогрева с экономической доступностью. Это проверенная технология, которая позволяет равномерно прогреть большие объемы и не оставлять после себя вредных химических следов.

Однако и у пара есть серьезный побочный эффект. При движении по скважине он сильно нагревает всё вокруг. Это тепло растапливает многолетнемёрзлые породы — природный фундамент, который тысячелетиями обеспечивал прочность и стабильность грунта. Когда вечная мерзлота тает, исчезает естественная опора всего месторождения. Мерзлые породы теряют прочность, скважины деформируются и выходят из строя, что приводит к авариям и миллионным убыткам. До 30% тепла тратится впустую и вместо прогрева нефти уходит на оттаивание мерзлоты. Таяние грунта запускает цепную реакцию: проседают фундаменты зданий, нарушается водный баланс территорий, высвобождаются парниковые газы. Это создает угрозу для инфраструктуры всего региона и усиливает глобальное изменение климата, делая проблему не только производственной, но и общеэкологической.

Поэтому ключевая задача ученых — не отказываться от пара, а научиться использовать его максимально эффективно. Нужно доставлять тепло целенаправленно к нефтяному пласту, уменьшая его воздействие на просадку земли.

Сейчас для этого используют теплоизолированные лифтовые трубы (ТЛТ), которые также называют термокейсами. Эти многослойные конструкции работают по принципу термоса: между двумя стальными стенками размещают теплоизоляционный материал. При закачке пара в скважину такая изоляция предотвращает утечку тепла в окружающие мерзлые породы. Благодаря чему он эффективно прогревает нефтяной пласт, и не размораживает замерзший грунт.

Несмотря на эффективность термокейсов, при их использовании сохраняется серьезная проблема. Инженеры не могут заранее точно определить необходимый уровень теплоизоляции для разных скважин. Это приводит к двум крайностям: компании либо перестраховываются, неся дополнительные расходы на избыточную изоляцию, либо экономят, рискуя столкнуться с авариями из-за деформации мерзлоты.

Решение нашли ученые Пермского Политеха. Они создали виртуальный двойник скважины — математическую модель процессов тепломассопереноса в ТЛТ, которая прогнозирует распространение тепла в нефтяных скважинах, оборудованных термокейсами. Уникальность модели в том, что она впервые в мире создана как полноценная 3D-модель, которая точно рассчитывает распространение тепла через все слои скважины одновременно.

Ученые «перевели» на язык математики цепочку теплопередачи в скважине. Модель просчитывает весь путь теплового потока — от момента подачи пара по трубам до его взаимодействия с окружающими породами. Эта цифровая копия учитывает множество параметров одновременно. Она отслеживает, как материалы меняют свойства при нагреве, как тепло распространяется во времени, и все уникальные особенности конструкции скважины и окружающего грунта.

— Эффективность модели проверяли на данных с Усинского месторождения в Республике Коми.  Этот регион был выбран неспроста — там сочетаются вечная мерзлота, залежи вязкой нефти и проблемы с парафиновыми отложениями. Последние представляют особую сложность: при снижении температуры парафины в нефти затвердевают и оседают на стенках трубопроводов, уменьшая их диаметр, повышая давление в системе и создавая риск полной блокировки потока нефти, — рассказывает Дмитрий Пинягин, аспирант кафедры «Конструирование и технологии в электротехнике» ПНИПУ.

Результаты испытаний показали высокую точность математической модели во всех режимах работы скважины. В фоновом режиме (без подачи пара) расхождение между расчетами и фактическими данными составило менее 0,1% — практически идеальное совпадение.

В рабочих режимах точность тоже впечатляющая. В режиме пропитки — при умеренном нагреве до 143°C — расхождения не превысили 8%. В наиболее интенсивном режиме нагрева до 273°C модель показала хороший результат — 95% соответствия экспериментальным данным.

— Небольшие расхождения между расчетными и фактическими данными в рабочих режимах связаны с объективными производственными факторами. На реальном месторождении теплоизоляция постепенно теряет первоначальные характеристики, а в местах соединения труб неизбежно возникают дополнительные теплопотери, которые на данном этапе не были учтены в математической модели, — поясняет Наталия Труфанова, заведующая кафедрой «Конструирование и технологии в электротехнике» ПНИПУ, доктор технических наук.

Математическая модель пермских ученых позволяет точно прогнозировать распределение тепла в скважине и определять оптимальные параметры ее работы: необходимую температуру и расход пара, а также подбирать трубы с требуемыми теплоизоляционными характеристиками. Модель использует реальные данные о конструкции скважины и свойствах материалов, что обеспечивает высокую точность расчетов. Особенностью разработки является возможность индивидуальной настройки каждого термокейса с учетом вероятности дефектов, что позволяет оценивать тепловые процессы в условиях реальной эксплуатации.

Разработка особенно важна для месторождений со сложными мерзлотными условиями, где инженерная ошибка может привести к многомиллионным убыткам и серьезному экологическому ущербу. Внедрение модели позволит повысить эффективность добычи, снизить энергозатраты, увеличить межремонтный период скважин и предотвратить аварии, связанные с оттаиванием мерзлых пород. Гибкость и масштабируемость решения позволяют применять его для различных типов скважин.