Разработка физически обоснованной модели распространения ультразвуковых волн в бетоне с частично деградированным наружным слоем

Авторы

  • Чебаненко В.А. Федеральный исследовательский центр Южный научный центр РАН, Российская Федерация ORCID iD 0000-0003-1686-5589
  • Шевцов С.Н. Федеральный исследовательский центр Южный научный центр РАН, Российская Федерация ORCID iD 0000-0003-4275-6984
  • Кириллова Е.В. Университет прикладных наук Рейн-Майн, Германия ORCID iD 0000-0002-6797-0920

УДК

534.222

EDN

PMFHXK

DOI:

10.31429/vestnik-22-4-45-55

Аннотация

В работе представлена численная модель распространения ультразвуковых волн в бетоне с деградированным поверхностным слоем, разработанная в пакете COMSOL Multiphysics. Модель учитывает градиентное распределение упругих свойств и частотно-зависимое затухание, отражающее процесс деградации материала. Возбуждение задавалось волновым пакетом, а граничные условия типа слабого отражения позволили минимизировать отражения. Проведено моделирование при 100 кГц для различных толщин деградированного слоя. Показано, что увеличение его толщины приводит к снижению скорости и росту затухания амплитуды волны, что согласуется с экспериментальными исследованиями. Новизна заключается в создании физически обоснованной модели бетона с градиентом свойств, применимой для генерации синтетических данных при обучении систем искусственного интеллекта для неразрушающего контроля.

Ключевые слова:

неразрушающий контроль, бетон, ультразвуковые волны, конечно-элементное моделирование, comsol multiphysics, градиент упругих свойств

Информация о финансировании

Публикация подготовлена в рамках реализации ГЗ ЮНЦ РАН 125011200151-9. Работа выполнена на оборудовании ЦКП ЮНЦ РАН № 501994. Участие Кирилловой Е.В. в этих исследованиях финансировалось за счет гранта 40170233 университета прикладных наук Рейн-Майн, Висбаден, Германия.

Информация об авторах

  • Валерий Александрович Чебаненко

    канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник лаборатории динамики неоднородных структур Южного научного центра РАН

  • Сергей Николаевич Шевцов

    д-р техн. наук, профессор, главный научый сотрудник, заведующий лабораторией динамики неоднородных структур Южного научного центра РАН

  • Евгения Вадимовна Кириллова

    канд. физ.-мат. наук, профессор Университета прикладных наук Рейн-Майн в г. Висбаден

Библиографические ссылки

  1. Aparicio Secanellas, S., Liébana Gallego, J.C., Anaya Catalán, G., Martín Navarro, R., Ortega Heras, J., García Izquierdo, M.Á., González Hernández, M., Anaya Velayos, J.J., An ultrasonic tomography system for the inspection of columns in architectural heritage. Sensors, 2022, vol. 22, iss. 17, p. 6646. DOI: 10.3390/s22176646
  2. Lencis, U., Udris, A., Kara De Maeijer, P., Korjakins, A., Methodology for determining the correct ultrasonic pulse velocity in concrete. Buildings, 2024, vol. 14, no. 3, p. 720. DOI: 10.3390/buildings14030720
  3. Vasanelli, E., Di Gennaro, D., Sticchi, M., Blasi, G., Capozzoli, L., Comparison of pulse-echo tomography and through-transmission ultrasonic test for UPV characterization of building materials. Infrastructures, 2025, vol. 10, p. 162. DOI: 10.3390/infrastructures10070162
  4. Al-Neshawy, F., Ferreira, M., Puttonen, J., NDT assessment of a thick-walled reinforced concrete mock-up of NPP concrete structures. EJ. Nondestruct. Test., 2022, vol. 27, pp. 1–10. DOI: 10.58286/27190
  5. Rucka, M., Zielińska, M., Autonomous ultrasonic imaging and crack localisation in concrete beams during the fracture process. Mechanical Systems and Signal Processing, 2025, vol. 237, p. 113105. DOI: 10.1016/j.ymssp.2025.113105
  6. Malikov, A.K.u., Flores Cuenca, M.F., Kim, B., Cho Y., Kim Y.H., Ultrasonic tomography imaging enhancement approach based on deep convolutional neural networks. Journal of Visualization, 2023, vol. 26, iss. 5, pp. 1067–1083. DOI: 10.1007/s12650-023-00922-6
  7. Dinh, K., Tran, K., Gucunski, N., Ferraro, C.C., Nguyen, T., Imaging concrete structures with ultrasonic shear waves–-Technology development and demonstration of capabilities. Infrastructures, 2023, vol. 8, iss. 3, p. 53. DOI: 10.3390/infrastructures8030053
  8. Feller, V., Mielentz, F., Klewe, T., Krause, M., Orglmeister, R., Pflugradt, M., Ultrasonic phased array for investigations of concrete components. In Proc. of NDT-CE 2015 – Int. symposium non-destructive testing in civil engineering. Technische Universität Berlin/Bundesanstalt für Materialforschung und-prüfung, 2015, pp. 1–5.
  9. Larose, E., de Rosny, J., Margerin, L., Anache, D., Gouedard, P., Campillo, M., van Tiggelen, B., Observation of multiple scattering of kHz vibrations in a concrete structure and application to monitoring weak changes. Physical Review E–-Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics, 2006, vol. 73, iss. 1, p. 016609. DOI: 10.1103/PhysRevE.73.016609
  10. Larose, E., Hall S., Monitoring stress related velocity variation in concrete with a 2x105 relative resolution using diffuse ultrasound. The Journal of the Acoustical Society of America, 2009, vol. 125, iss. 4, p. 1853–1856. DOI: 10.1121/1.3079771
  11. Zhang, L., Jiang, Z., Jia, Sh., Xie, L., Liu, Q., Li, H., Frequency-dependent reliability of ultrasonic testing based on numerical model with consideration of coarse aggregates in concrete. Case Studies in Construction Materials, 2023, vol. 19, p. e02462. DOI: 10.1016/j.cscm.2023.e02462
  12. Mata, R., Ruiz, R.O., Nuñez E., Correlation between compressive strength of concrete and ultrasonic pulse velocity: A case of study and a new correlation method. Construction and Building Materials, 2023, vol. 369, p. 130569. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2023.130569
  13. Cannas, B., Carcangiu, S., Concu, G., Fanni, A., Usai, M., Numerical simulations of ultrasonic non destructive techniques of masonry buildings. In Proc. of the 2011 COMSOL Conference in Stuttgart, 2011.
  14. Jamal Mohamad, F.A., Anita, A., Ruzairi A.R., Sallehuddin, I., Juliza J., Noorhazirah, S., The identification of optimal frequency for ultrasonic transducers in concrete-defect detection using COMSOL® simulator. ELEKTRIKA – Journal of Electrical Engineering, 2025, vol. 24, iss. 2, pp. 104–110. DOI: 10.11113/elektrika.v24n2.589
  15. Jain, H., Patankar, V.H., Simulations and experimentation of ultrasonic wave propagation and flaw characterisation for underwater concrete structures. Nondestructive Testing and Evaluation, 2024, vol. 39, iss. 6, pp. 1581–1598. DOI: 10.1080/10589759.2023.2274006
  16. Marković, N., Stojić, D., Cvetković, R., Radojičić, V., Conić Stefan Numerical modeling of ultrasonic wave propagation-by using of explicit fem in abaqus. Facta universitatis-series: Architecture and Civil Engineering, 2018, vol. 16, iss. 1, pp. 135–147. DOI: 10.2298/FUACE170830011M
  17. Zhang, W., Yang, J., Ren, L., Dou, H., Chen, X., Jia, H., Mao, Y., Zhang, J., Xu, W., Zhou, H., Mu, X., High-performance capacitive ultrasonic transducer for non-destructive testing of concrete compressive strength. Sensors, 2025, vol. 25, iss. 16, p. 4903. DOI: 10.3390/s25164903
  18. Tian, X., Ao, J., Ma, C., Shi, J., Guo, H., A hybrid strategy two-dimensional concrete aggregate filling algorithm. Engineering Reports, 2025, vol. 7, iss. 1, p. e13029. DOI: 10.1002/eng2.13029
  19. Zhang, X., Yu, Y., Yu, Z., Qiao, F., Du, J., Yao, H., A scoping review: applications of deep learning in non-destructive building tests. Electronics, 2025, vol. 14, iss. 6, p. 1124. DOI: 10.3390/electronics14061124
  20. McKnight, S., Gareth Pierce, S., Mohseni, E., MacKinnon, C., MacLeod, C., O'Hare, T., Loukas, C., A comparison of methods for generating synthetic training data for domain adaption of deep learning models in ultrasonic non-destructive evaluation. NDT & E International, 2024, vol. 141, p. 102978. DOI: 10.1016/j.ndteint.2023.102978
  21. Jiang, J., Zhang, D., Gong, F., Zhi, D., Prediction of ultrasonic pulse velocity for cement, mortar, and concrete through a multiscale homogenization approach. Materials, 2022, vol. 15, iss. 9, p. 3241. DOI: 10.3390/ma15093241
  22. Sun, W., Hou, S., Wu, G., Wu Z., Xiong, W., Zhang, J., Phased array ultrasonic and deep learning based internal defect detection in underwater concrete bridge structures. Case Studies in Construction Materials, 2025, p. e04946. DOI: 10.1016/j.cscm.2025.e04946
  23. Kirillova, E., Tatarinov, A., Kovalenko, S., Shahmenko, G., Prediction of degradation of concrete surface layer using neural networks applied to ultrasound propagation signals. Acoustics, 2025, vol. 7, iss. 2, p. 19. DOI: 10.3390/acoustics7020019
  24. Guo, J., Sun, W., Xu, Y., Lin, W., Jing, W., Damage mechanism and modeling of concrete in freeze–thaw cycles: a review. Buildings, 2022, vol. 12, iss. 9, p. 1317. DOI: 10.3390/buildings12091317
  25. Ikumapayi, C.M., Adeniji, A.A., Obisesan, A.A., Odeyemi, O., Ajayi, J.A., Effects of carbonation on the properties of concrete. Sci. Rev., 2019, vol. 5, iss. 12, pp. 205–214. DOI: 10.32861/sr.512.205.214
  26. Tatarinov, A., Sisojevs, A., Chaplinska, A., Shahmenko, G., Kurtenoks, V., An approach for assessment of concrete deterioration by surface waves. Procedia Structural Integrity, 2022, vol. 37, pp. 453–461. DOI: 10.1016/j.prostr.2022.01.109
  27. Philippidis, T.P., Aggelis, D.G., Experimental study of wave dispersion and attenuation in concrete. Ultrasonics, 2005, vol. 43, iss. 7, pp. 584–595. DOI: 10.1016/j.ultras.2004.12.001

Скачивания

Данные по скачиваниям пока не доступны.

Загрузки

Выпуск

Том 22 (2025) № 4

Страницы

45-55

Раздел

Механика

Даты

Поступила в редакцию

20 октября 2025

Принята к публикации

22 ноября 2025

Публикация

2 декабря 2025

Как цитировать

[1]
Чебаненко, В.А., Шевцов, С.Н., Кириллова, Е.В., Разработка физически обоснованной модели распространения ультразвуковых волн в бетоне с частично деградированным наружным слоем. Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества, 2025, т. 22, № 4, pp. 45–55. DOI: 10.31429/vestnik-22-4-45-55

Лицензия

Copyright (c) 2025 Чебаненко В.А., Шевцов С.Н., Кириллова Е.В.

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.

Похожие статьи

1-10 из 324

Вы также можете начать расширенный поиск похожих статей для этой статьи.

Наиболее читаемые статьи этого автора (авторов)