В МАИ разрабатывают компьютерную модель для виртуальных испытаний композитов на трещиностойкость

В МАИ разрабатывают компьютерную модель для виртуальных испытаний композитов на трещиностойкость

В Московском авиационном институте разрабатывают компьютерную модель для виртуальных испытаний различных композитов на трещиностойкость при экстремальных условиях нагрузки. Это позволит при проектировании более точно прогнозировать поведение таких конструкций, как лопатки двигателей, обшивка панелей крыла и фюзеляж самолёта. Методика фокусируется на самом раннем этапе разрушения – зарождении трещин внутри слоёв, из которых состоит композит. 

Для России эта работа уникальна: в отличие от общепринятых методик, которые сосредоточены на изучении того, как материал ведёт себя при нагрузках, разрабатываемый в МАИ метод позволяет исследовать первопричину последующего разрушения материала — то есть сам момент зарождения трещин. Работы ведутся в лаборатории № 3 «Моделирование конструкций из композиционных материалов» Передовой инженерной школы МАИ под руководством ведущего инженера лаборатории Николая Турбина.

– У композитов есть слабое место – поперечная прочность. Когда нагрузка действует не вдоль слоёв, а поперёк, материал может начать трескаться. Наша методика позволит расчётным путём точнее определять предел растрескивания слоёв и подбирать более эффективные схемы их укладки, – говорит участник проекта, инженер лаборатории № 2 НИО-101 МАИ Константин Акчупанов. – Имея возможность точнее прогнозировать, когда именно начинается растрескивание, конструкторы смогут не закладывать избыточный запас прочности при проектировании – а значит, массу самолёта можно будет снизить без ущерба надёжности.

Учёные МАИ смотрят на проблему комплексно. Сначала создаётся предварительная компьютерная модель. Затем проводятся натурные испытания с реальными образцами, которые предоставляет отечественный производитель композитов, компания «Итекма». Чтобы увидеть, где и как появляются трещины, используют томографический комплекс МАИ — с помощью него, как на рентгеновских снимках, определяется внутренняя структура материала. Полученные снимки обрабатывают с помощью специальной программы, также разработанной группой специалистов МАИ. Она сама находит трещины, считает их количество на единицу площади, помогает визуализировать, как и в какой прогрессии они росли.

На основе полученных данных компьютерную модель корректируют. Откалиброванная модель даст возможность виртуально испытывать разные варианты композитов — в ней можно будет менять параметры (например, по‑другому укладывать слои) и смотреть, станет ли деталь прочнее. Это эффективный способ сократить количество длительных и дорогостоящих натурных испытаний.

Сейчас работа по уточнению критериев появления трещин в слоях материала продолжается на различных натурных образцах — в расчётных формулах, определяющих зарождение трещин в компьютерной модели, должны быть учтены различные физические факторы (температурное воздействие, тип нагрузки, направление воздействия и другие). Завершить работы по проекту планируется в первом квартале 2027 года.