А. Еремин: "Ультразвук – это весьма широкая и развитая область исследований"
Научная деятельность является созидательным жизненным процессом, в котором максимально задействованы все теоретические и практические стороны любого изучения. В результате этого синтеза мир получает новые открытия, изобретения и научные законы. И во всей этой области работы перед учеными – в особенности, перед молодыми, – зачастую возникают проблемы реализации своих идей и наработок. Для любого исследования необходимы команда, условия для работы и финансирование.
В Кубанском государственном университете сегодня трудятся ученые, которые благодаря своей научной деятельности имеют возможность не только развивать науку в нашем крае и за его пределами, но и привлекать в университет значительные средства на развитие научной деятельности. Иногда сумма такой финансовой поддержки превышает один миллион рублей – и это является серьезным подспорьем для научного сообщества КубГУ.
Один из таких ученых - кандидат физико-математических наук и ведущий научный сотрудник лаборатории волновой диагностики, Артем Александрович Еремин, рассказал о том, какая сегодня ведется научная работа в Институте математики, механики информатики Кубанского государственного университета (ИММИ КубГУ) и о своих плнах на будущее. Он, кстати, является лидером в числе ученых-«миллионеров» в 2021 году.
– Вы занимаетесь математическим и компьютерным моделированием ультразвуковых волновых процессов. Расскажите, какие важные открытия уже сделаны?
– Надо понимать, что ультразвук – это весьма широкая и развитая область исследований, основы которой были заложены еще в 19 веке французскими и английскими математиками. Они сформулировали основные уравнения, описывающие волновую динамику твердых тел, жидкостей и газов. В 20 веке технологический прогресс позволил найти множество приложений для ультразвука, многими из которых мы повсеместно пользуемся – это и хорошо знакомая в медицине сонография (УЗИ), с которой, наверное, сталкивался хотя бы раз в жизни каждый из нас, это различные датчики, используемые, например, для контроля давления жидкости, оценки расстояния до объекта и, конечно, использование ультразвука для неразрушающего контроля и диагностики состояния всевозможных инженерных конструкций. Но для того, чтобы все эти направления развивались, нужны хорошие математические модели. Они должны адекватно описывать «физику» ультразвука и позволять предсказывать тонкие волновые эффекты, которые могут служить основой для новых, еще не реализованных его приложений.
Именно в этом направлении – моделирование волновых процессов, работает Институт математики, механики и информатики, организованный при Кубанском госуниверситете в начале двухтысячных годов моими научными руководителями, профессорами Евгением Викторовичем и Натальей Вилениновной Глушковыми. И самое главное наше открытие, это то, что те математические и компьютерные модели, которые создаются в ИММИ для описания волновой динамики упругих сред со сложными физико-механическими свойствами очень хорошо работают, они позволяют предсказывать многие эффекты, которые только недавно стали подтверждаться в экспериментах.
– А в какой сфере вы сможете применить эту резонансную методику идентификации дефектов?
– Перспективной областью является ультразвуковой неразрушающий контроль и активный мониторинг тонкостенных конструкций, изготовленных из слоистых композитных материалов. Например, емкости для хранения химических веществ, элементы фюзеляжа авиалайнеров, лопасти ветрогенераторов, трубы.
– Как вы стали сотрудничать с ИММИ КубГУ? Стечение обстоятельств или долгий путь?
– Еще на первом курсе университета на лекциях по линейной алгебре, математическому анализу преподаватели рассказывали нам о возможных приложениях «чистой» математики – как с помощью формул можно описать разнообразные физические процессы. Мне это показалось весьма интересным. По совету тогдашнего заведующего кафедрой численного анализа факультета прикладной математики КубГУ С.В. Нагорного я в начале второго курса подошел к Евгению Викторовичу и Наталье Вилениновне (они работали на той же кафедре профессорами). Это сейчас, проработав больше десяти лет в ИММИ, я с уверенностью могу сказать, что профессора Глушковы, – ученые с мировым именем и признанные авторитеты в области моделирования ультразвуковых волновых процессов в средах со сложной структурой, а тогда я еще смутно представлял, чем они занимаются. Знал только, что это что-то «про волны». Евгений Викторович и Наталья Вилениновна дали мне небольшую вводную задачу – надо было разобраться и повторить математические выкладки. Я довольно быстро справился, получил следующее задание, в котором уже надо было помимо вывода формул написать небольшую программу, появился азарт, интерес, и так процесс пошел. Задачи усложнялись, результаты становились интереснее – их уже можно было представлять на тематических научных конференциях, затем и публиковать в авторитетных журналах. После студенческой скамьи поступил в аспирантуру и был принят на работу в ИММИ, защитил кандидатскую диссертацию и продолжаю там работать.
– В каких исследованиях вы участвовали непосредственно?
– Это решение задач, связанных с развитием математических и компьютерных моделей волновой динамики многослойных композитных материалов – как бегущие упругие волны в них возбуждаются пьезопреобразователями, особенности их распространения, возможность по экспериментальным данным определить упругие свойства композитного материала. Кроме того, это вопросы, связанные с моделированием взаимодействия упругих волн с дефектами, характерными для инженерных конструкций – коррозия, усталостные трещины, расслоения.
Если брать именно научные проекты, в которых участвовал, то это были и гранты Российского фонда фундаментальных исследований и Российского научного фонда, и исследования, выполняемые в рамках государственного задания.
Конечно, большое значение имеет и сотрудничество с зарубежными коллективами из Германии в рамках различных программ стажировок. В рамках таких поездок я научился работать со сложным и зачастую дорогостоящим экспериментальным оборудованием для генерации и измерения бегущих упругих волн. Это послужило стимулом и хорошей основой для развития экспериментальной базы в нашем ИММИ.
– Какое ваше исследование выиграло грант Фонда им. Александра фон Гумбольдта?
– Проект был направлен на исследование особенностей резонансного рассеяния упругих волн на локализованных неоднородностях и изучение возможности использования этого эффекта для решения задач ультразвуковой диагностики тонкостенных конструкций. Был проведен большой объем численных и натурных экспериментов для различных типов дефектов и материалов образцов. Удалось подтвердить, что математические и компьютерные модели, которые мы разрабатываем в ИММИ, и качественно и количественно очень хорошо описывают те проявления резонансных эффектов, которые обнаруживаются экспериментально. Да и в целом, за время выполнения проекта экспериментальных результатов накопилось столько, что мы до сих пор продолжаем их изучать и анализировать.
– Что послужило толчком к созданию лабораторию волновой диагностики в ИММИ в 2020 году?
– В 2019 году Министерство науки и высшего образования России объявило конкурс о создании научных лабораторий в подведомственных Минобрнауки учебных заведениях. Наш коллектив подал заявку на участие в таком конкурсе, и она была поддержана. Конкурс был большой – только от нашего университета было десять заявок. В 2020 году мы приступили к работе, хотя, конечно, первый год проекта был осложнен пандемией. Сейчас мы активно проводим исследования, публикуем получаемые результаты в статьях в научных журналах и представляем их на конференциях – работаем над теми задачами, которые были нами сформулированы в заявке. Надеюсь, что к концу проекта мы сможем не только провести запланированные фундаментальные исследования в области диагностики конструкций с использованием бегущих упругих волн, но и разработать прототипы и демонстраторы систем активного ультразвукового мониторинга.
– С какими компаниями вы бы хотели сотрудничать в разработках в этой области?
– К сожалению, российских компаний, занимающихся именно данной проблематикой, возможно, пока и нет. Однако есть ряд крупных отечественных фирм, например, НПО «Алькор», «Интерюнис», «ZETLAB», разрабатывающих и внедряющих классические системы мониторинга на основе тензометрии, вибродиагностики, акустической эмиссии. Мы предполагаем, что использование активных систем мониторинга, когда датчики не только «слушают» конструкцию, но и активно с ней взаимодействуют через генерацию ультразвука, бегущих упругих волн, позволит диагностировать дефекты в критических элементах тонкостенных инженерных конструкций на самых ранних стадиях их зарождения. Это расширит функционал традиционных систем мониторинга, и, конечно же, мы хотели бы взаимодействовать с представителями бизнес-сообщества, привлечь их внимание к перспективам развития таких технологий.
– Какие планы на ближайшие научные разработки? Чего бы Вы хотели добиться в своей научной деятельности? Какие цели ставите перед собой?
– Если брать ближайшие планы, то мы сейчас работаем над обобщением тех моделей, которые мы использовали для диагностики дефектов в образцах из металлов, на случай современных композитных материалов. Потом – совершенствовать наши метод и подходы так, чтобы их можно было уже применять для активного мониторинга элементов реальных конструкций. Конечно, мечтаю увидеть внедрение наших разработок в инженерную практику.
Для меня лично ключевой задачей сейчас является защита уже практически готовой докторской диссертации.
В перспективе хотелось бы поработать над проблемой создания «умного» композитного материала – такого, что на этапе его изготовления в него внедряются различные датчики, в том числе и такие, что позволяют измерять ультразвуковые колебания, и его последующего использования в промышленном Интернете вещей.