Программа ученых Пермского Политеха повысит качество крупных деталей самолетов и машин

Полимерные композиционные материалы с улучшенными характеристиками сегодня применяют в авиа- и машиностроении, строительстве и недропользовании. С помощью метода намотки можно создавать крупные высокопрочные детали и изделия из оболочек. Но не всегда удается точно спрогнозировать поведение таких конструкций при использовании, а проведение экспериментов требует высоких затрат. Ученые Пермского Политеха создали программный модуль, который улучшит прогнозирование поведения материалов и предотвратит появление дефектов. Работа выполнена в рамках Программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».

Исследование реализовано при финансовой поддержке РФФИ и Пермского края. Разработка в дальнейшем может стать частью отечественного цифрового двойника композитных оболочек, который будет учитывать сложное нелинейное поведение материалов. Это позволит не использовать зарубежное программное обеспечение.

С помощью намотки создают высокопрочные армированные изделия. Чаще всего их производят на основе эпоксидных или полиэфирных смол и полимеров сложных виниловых эфиров. Будущую оболочку наматывают на специальную заготовку той же формы и размеров, что и поверхность будущего изделия. Она должна выдерживать воздействие ударов и перепады температур. Для производства крупных изделий применяют заготовки из песчано-полимерных смесей или легкоплавких материалов, которые затем разрушают.

Объемы производства изделий из композитов растут, поэтому важно повышать точность прогнозирования прочности этих конструкций. Мы создали универсальный расчетный модуль, который определяет эффективные характеристики материалов в зависимости от технологических параметров. Он позволяет отследить ключевые этапы создания изделий и выявить дефекты, – рассказывает одна из разработчиков, старший преподаватель кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики Пермского Политеха Ляйсан Сахабутдинова.

Для этого ученые смоделировали основные этапы производства деталей. Физическую модель для имитации поведения материалов они разработали на базе пакета ANSYS Mechanical APDL.

Детали изготовляют от 10 до 15 суток при достаточно высоких температурах. Поэтому важно учитывать процессы в материалах заготовки и оболочки, которые происходят при намотке. Экспериментальные методы требуют высоких затрат и не позволяют выявить все характеристики материалов. Популярные среди инженеров модели и методы недостаточно точны. С помощью новых численных моделей можно определить, как производственные факторы влияют на деформацию и разрушение конструкций, – объясняет научный руководитель рабочей группы, доцент кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики Пермского Политеха, доктор технических наук Олег Сметанников.

Разработка исследователей из Пермского Политеха поможет вывести на новый уровень проектирование высокопрочных изделий из композитов. Новые подходы и алгоритмы, лежащие в основе расчетного модуля, будут полезны для внедрения в области авиа- и машиностроения, строительства, недропользования и других сферах промышленности, считают ученые.

Для справки

Пермский Политех стал обладателем гранта «Приоритет 2030» в 2021 году. Его размер составил 100 млн рублей. «Приоритет 2030» является самой масштабной в истории России программой государственной поддержки и развития высших учебных заведений. Ее цель — формирование к 2030 году в России более 100 прогрессивных современных университетов, которые станут центрами научно-технологического и социально-экономического развития страны. Всего комиссия Минобрнауки РФ включила в программу «Приоритет 2030» 106 вузов из 49 городов страны, из них 60 % — региональные университеты.