Ultrasonic Waves Modeling in Fractured Rails with Explicit Approach

The paper presents a numerical simulation of ultrasonic waves propagation in rails with explicit identification of the investigated defects. The problem of non-destructive testing of a rail with a vertical fracture in its head is considered. The propagation of elastic waves in the rail profile is simulated for various sizes and positions of the defect. The possibility of implementation of finite-difference grid-characteristic method in time domain and full-wave simulation for analyzing the effectiveness of the defect detection process by ultrasonic non-destructive testing of the railway is shown. It is shown that full-wave simulation makes it possible to investigate the impossibility of detecting the type of defects by the usual echo-mirror method. The possibility of use of full-wave supercomputer modeling for the development of techniques for applying the ultrasound delta method in practice is shown. The studies performed in this paper demonstrate the perspectives of adaptation of geophysical methods to the analysis of ultrasonic non-destructive testing results.

Keywords

non-destructive testing of rails, ultrasonic non-destructive testing, full-wave simulation, grid-characteristic method

Received

10.09.2018

Publication date

13.09.2018

Number of characters

9127

Cite

GOST	Favorskaya A., Petrov I., Kabisov S. Ultrasonic Waves Modeling in Fractured Rails with Explicit Approach // Doklady Akademii nauk – 2018. – V. 481. – Issue 1 C. 20-23 [Electronic resource]. URL: http://ras.jes.su/dan/s207987840000187-4-1-en (circulation date: 05.12.2023). DOI: 10.31857/S086956520000043-0
MLA	Favorskaya, Alena, Petrov, Igor, Kabisov, Soslan "Ultrasonic Waves Modeling in Fractured Rails with Explicit Approach." Doklady Akademii nauk 481.1 (2018):20-23. DOI: 10.31857/S086956520000043-0
APA	Favorskaya A., Petrov I., Kabisov S. (2018). Ultrasonic Waves Modeling in Fractured Rails with Explicit Approach. Doklady Akademii nauk 481(1), pp.20-23 DOI: 10.31857/S086956520000043-0

100 rub.

When subscribing to an article or issue, the user can download PDF, evaluate the publication or contact the author. Need to register.

Размещенный ниже текст является ознакомительной версией и может не соответствовать печатной

Введение

Постановка задачи

Результаты численного моделирования

Заключение


1	Введение Рельсы подвергаются большим механическим нагрузкам и жестким условиям окружающей среды. Несмотря на значительные технологические успехи, достигнутые в отношении безопасности железнодорожных путей, разрывы рельсов, которым предшествуют имеющиеся дефекты, по-прежнему часто происходят во всем мире, что приводит к крупным крушениям поездов.
2	Следовательно, необходимы новые технологии для обнаружения дефектов рельсов в целях повышения безопасности и эффективности железнодорожного транспорта за счет снижения рисков поломки рельсов и пагубных последствий. В связи с необходимостью отслеживать тысячи километров железнодорожного пути на регулярной основе, самой важной задачей для исследователей является разработка методологий, подходящих для обнаружения дефектов железнодорожными транспортными средствами на более высоких скоростях.
3	В настоящее время в качестве перспективного метода дефектоскопии рельсов рассматривают ультразвуковую дефектоскопию [1]. Одной из особенностей данного метода неразрушающего контроля является возможность его применения непосредственно во время движения поезда. Выделяют несколько основных методов ультразвуковой дефектоскопии: эхо-метод (основанный на анализе непосредственных отражений падающих на дефект ультразвуковых волн от источника), теневой метод (основанный на анализе изменений фронта проходящей через дефект ультразвуковой волны), зеркально-теневой метод (основанный на анализе изменения фронта волны, отраженной от подошвы рельса, при прохождении через дефект) и дельта метод (основанный на изучении рассеянных от дефекта волн). На практике в основном применяются первые три метода, выявляющие соответственно 93%, 5% и около 2% всех дефектов. Дельта-метод является наиболее точным, однако не применяется для рельсовой дефектоскопии в связи со сложностью анализа возникающих рассеянных волновых фронтов. Одним из подходов для решения данной проблемы является узкоспециализированное изучение данных волновых фронтов путем полноволнового суперкомпьютерного моделирования.
4	В данной работе рассматривается метод для численного моделирования неразрушающего контроля железнодорожных путей на примере ультразвуковой дефектоскопии железнодорожных рельсов с вертикальным расслоением головки. Используется явное выделение рассматриваемого дефекта, что позволяет изучать все возникающие при рассеянии волновые процессы, исследовать различные методы дефектоскопии, выделять полезные типы волн. Для этого решается система уравнений, описывающая состояние бесконечно-малого объема сплошной линейно-упругой среды [2,3]. Следует отметить, что аналогичные подходы с той же математической постановкой задачи изучаются в области геофизики для обнаружения трещиноватых зон и других неоднородностей в геологических средах [3-5], что демонстрирует перспективность их адаптации к ультразвуковой дефектоскопии рельсов.

Number of purchasers: 0, views: 1947

Readers community rating: votes 0

1. Cannon D.F., Edel K.-O., Grassie S.L., Sawley K. Rail defects: an overview // Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. 2003. V. 26. № 10. P. 865−886.

2. Petrov I.B., Favorskaya A.V., Khokhlov N.I., Miryakha V.A., Sannikov A.V., Golubev V.I.Monitoring the state of the moving train by use of high performance systems and modern computation methods // Mathematical Models and Computer Simulations. 2015. V. 7. № 1. P. 51−61.

3. Zhang J. Elastic wave modeling in fractured media with an explicit approach // Geophysics. 2005. V. 70. № 5. P. T75−T85.

4. Zhou K, Wei R. Modeling cracks and inclusions near surfaces under contact loading // International Journal of Mechanical Sciences. 2014. V. 83. P. 163–171.

5. Favorskaya A., Petrov I., Grinevskiy A. Numerical simulation of fracturing in geological medium // Procedia Computer Science. 2017. V. 112. P. 1216−1224.

6. Petrov I.B., Favorskaya A.V., Khokhlov N.I. Grid-characteristic method on embedded hierarchical grids and its application in the study of seismic waves // Computational Mathematics and Mathematical Physics. 2017. V. 57. № 11. P. 1771−1777.

7. Golubev V.I., Petrov I.B., Khokhlov N.I., Shul’ts K.I. Numerical computation of wave propagation in fractured media by applying the grid-characteristic method on hexahedral meshes // Computational Mathematics and Mathematical Physics. 2015. V. 55. № 3. P. 509−518.

8. Magomedov K.M., Kholodov A.S. The construction of difference schemes for hyperbolic equations based on characteristic relations // USSR Computational Mathematics and Mathematical Physics. 1969. V. 9. № 2. P. 158−176.

9. V.I. Gritsyk. Defekty rel'sov zheleznodorozhnogo puti: Uchebnoe illyustrirovannoe posobie. – M.: Marshrut, 2005, 80 s.

10. Favorskaya A.V., Petrov I.B. A study of high-order grid-characteristic methods on unstructured grids // Numerical Analysis and Applications. – 2016. V. 9. №. 2. S. 171−178.

Ultrasonic Waves Modeling in Fractured Rails with Explicit Approach

Table of contents

Введение