Учёные МАИ нашли способ упростить модель усталостной прочности композитов

Исследователи из Московского авиационного института улучшили классическую модель, которая помогает рассчитывать усталостное поведение композитных материалов. Разработка даст возможность инженерам точнее прогнозировать ресурс крыльев самолётов, корпусов кораблей, ракет и космических аппаратов.

— Композиты состоят из очень прочных волокон и связующего материала. Они лёгкие, но при этом выдерживают большие нагрузки, благодаря чему стали одним из главных элементов современных высокотехнологичных конструкций. Однако из-за особенностей структуры сложно предсказать их поведение при многократных повторяющихся воздействиях, а понимание, как развиваются эти процессы, важно для повышения надёжности и безопасности современной техники, — рассказал один из авторов разработки, инженер лаборатории №3 Передовой инженерной школы МАИ Глеб Колениченко.
По его словам, основы модели заложили бельгийские учёные, специалисты в области механики композитных материалов Вим Ван Папегем и Йозеф Дегрик. В предложенном ими подходе снижение жёсткости описывается в три стадии. Сначала происходит резкое падение, потом наступает этап квазилинейного снижения, а затем — ускоренного разрушения, которое приводит к окончательной потере несущей способности материала. 

Согласно модели, эти процессы определяются пятью коэффициентами, каждый из которых отвечает за отдельный этап. Первый раскрывает начальную стадию появления микротрещин, второй — их рост, третий — постепенное снижение жёсткости на основном этапе.

Четвёртый коэффициент отвечает за критерий разрушения — порог, при котором оно наступает. А пятый — учитывает асимметрию поведения материалов при разных видах нагрузки — растяжении и сжатии. Эти показатели не универсальны. Для каждой комбинации компонентов, из которых создают композиты, их подбирают отдельно, отметил специалист. 

Учёные МАИ проанализировали чувствительность коэффициентов относительно друг друга. Для обработки данных они создали специальную программу, которая отфильтровывает случайные погрешности. Алгоритмы сглаживают резкие отклонения в рядах данных, которые могли бы исказить расчёты. Это позволяет получить чистую кривую снижения жёсткости материалов.

— В исследовании были задействованы три типа материалов — однонаправленный углепластик, волокна которого ориентированы в одну сторону, углепластик с тканым наполнителем — с переплетёнными волокнами — и стеклотканевый композит, где вместо углеродных волокон используют стеклянные. Образцы испытывали на циклические растяжение и сжатие, а результаты экспериментов использовали для корректировки коэффициентов, — пояснил Глеб Колениченко.
В ходе работы выяснили важную закономерность, отметил он. Оказалось, что два коэффициента, которые отвечают за начальные этапы разрушения — появление и рост микротрещин, — оказались связаны между собой. Если один из них меняется, то второй тоже смещается в ту же сторону. Это значит, что изменения одного параметра могут частично заменять изменения другого. При этом третий коэффициент, который описывает ускоренное разрушение, ведёт себя независимо от первых двух. Остальные два параметра, по словам исследователей, вводятся на завершающих этапах калибровки. Они также связаны с первыми, но эта корреляция выражена слабее.

Таким образом, исследователи упростили процедуру калибровки модели, выявив наиболее и наименее чувствительные параметры усталостной прочности материалов, а также устойчивую связь между двумя коэффициентами. Это позволяет значительно сократить время вычислений без потери точности прогноза.

В будущем предложенный подход может быть полезен для улучшения методик проектирования композитных конструкций, особенно в условиях сжатия, где сегодня отсутствует стандартизированная процедура испытаний, а также для ускоренной оценки свойств новых материалов. Таким образом разработка поможет уменьшить трудоёмкость инженерных расчётов на этапе проектирования и откроет путь к более экономичным и безопасным конструкциям в авиации, судостроении, космонавтике и других отраслях.

Проект реализуется в рамках объявленного президентом России Десятилетия науки и технологий.