Направления и результаты научной (научно- исследовательской) деятельности и научно- исследовательская база для её осуществления

Научная деятельность федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет» (ПНИПУ) осуществляется в соответствии с Программой повышения конкурентоспособности Пермского национального исследовательского политехнического университета на 2016-2025 гг., Программы развития ПНИПУ на 2021-2030 годы, Стратегии устойчивого развития ПНИПУ на период до 2035 года  и в соответствии с основными направлениями научной деятельности вуза.

В ПНИПУ создано 5 центров академического лидерства (ЦАЛ) - «Авиационное и ракетное двигателестроение, механика материалов и конструкций» (ЦАЛ-1), «Передовые производственные технологии и материалы» (ЦАЛ-2), «Технологии рационального недропользования» (ЦАЛ-3), «Природоподобные технологии» (ЦАЛ-4), «Технологии для медицины и наук о жизни» (ЦАЛ-5).

Всего по направлениям ЦАЛ в 2023 г. ПНИПУ выполнил более 50 фундаментальных и поисковых проектов (в т.ч. гранты РНФ, РФФИ, Минобрнауки России и Минобрнауки Пермского края, общий объем финансирования более 223 млн. руб.), и более 150 крупных прикладных исследований по заказам отраслевых предприятий (основные заказчики – АО «ОДК», ПАО «ЛУКОЙЛ»; общий объем финансирования более 1,5 млрд. руб.).

С 2024 г. в ПНИПУ определены следующие научные направления (приказ № 1104-В от 14.03.2024):

1. Авиационное и ракетное двигателестроение, механика материалов и конструкций;
2. Передовые производственные технологии и материалы;
3. Технологии рационального недропользования;
4. Природоподобные технологии;
5. Технологии для медицины и наук о жизни;
6. Фотоника;
7. Технологии искусственного интеллекта и машинного обучения.

Участие ПНИПУ в национальном проекте «Наука и университеты»

1. Программа стратегического академического лидерства «Приоритет-2030»

В рамках программы Пермский Политех реализует два стратегических проекта:

— Создание функциональных систем «материал-технология-конструкция» для аэрокосмической отрасли, направленный на обеспечение технологического суверенитета страны в части внедрения эффективных решений, связанных с переходом к новым материалам и способам конструирования, необходимостью создания новых отечественных транспортных систем, освоения и использовании космического и воздушного пространства. Одно из направлений проекта ориентировано на разработку оборудования и технологий изготовления крупногабаритных металлических заготовок гибридными аддитивными технологиями (послойное наплавление), что позволяет снизить зависимость от высокоточного литья, осуществляемого до последнего времени за пределами РФ, а также снизить временные затраты по целому ряду этапов вывода продукции на рынок, начиная с заготовительного производства и заканчивая сертификацией изделия.

— Цифровые технологии освоения недр. В рамках проекта созданы геолого-геомеханические технологии выделения опасных зон с использованием искусственного интеллекта, которые уже внедряются на предприятиях Верхнекамского месторождения калийных солей. Разработанные учеными программно-аппаратные комплексы «Цифровой двойник нефтяного месторождения» внедрены на месторождениях компаний группы ЛУКОЙЛ. Это позволит сократить на 20% эксплуатационные затраты предприятий нефтедобывающей отрасли и еще на 10% — капитальные.  Направления исследований стратегического проекта и полученные результаты позволяют решать широкий спектр научных и производственных задач, что в полной мере соответствует концепциям цифровизации топливно-энергетического комплекса, добывающей и перерабатывающей промышленности, импортозамещению и импортоопережению с целью обеспечения технологического и энергетического суверенитета России.

2. Программа Мегагрантов Правительства Российской Федерации для государственной поддержки научных исследований, проводимых под руководством ведущих ученых в российских образовательных организациях высшего образования, научных учреждениях и государственных научных центрах Российской Федерации (постановление правительства РФ от 9 апреля 2010 г. № 220).

В период с 2021 по 2023 гг. проведены научные исследования под руководством профессора кафедры механики материалов школы механики, электротехники и машиностроения им. Вольфсона, университета Лафборо В.В. Зильбершмидта – ведущего учёного мирового уровня в области прикладной математики и механики, члена Европейского механического общества, члена международной ассоциации по вычислительной механике, члена Американского общества инженеров-механиков.

Научные исследования выполнены на базе лаборатории механики биосовместимых материалов и устройств. Исследования направлены на развитие методов и подходов для решения задач механики биосовместимых материалов и устройств, используемых для регенерации, восстановления, поддержания функциональности, а также мониторинга состояния внутренних органов человека. Финансирование проекта за 3 года составило 90 млн. руб.

3. Программа государственной поддержки развития кооперации российских образовательных организаций высшего образования, государственных научных учреждений и организаций реального сектора экономики в целях реализации комплексных проектов по созданию высокотехнологичных производств» (Постановление Правительства РФ от 9 апреля 2010 г. № 218)

С целью развития центра академического лидерства «Технологии рационального недропользования» (ЦАЛ-3) ПНИПУ совместно с ООО «Системнефтеавтоматика» был реализован проект «Создание высокотехнологичного производства автономных энергосберегающих цифровых систем распределенного управления добывающим фондом скважин на основе элементов машинного обучения и искусственного интеллекта» (период реализации проекта с 2021 по 2023 гг.).

В рамках проекта создано отечественное программное и техническое решение по управлению силовыми насосными установками различной номенклатуры и компоновки в нефтедобывающих скважинах с возможностью автономной работы. Цифровое (программное) решение основано на элементах искусственного интеллекта и машинного обучения, позволяющего адаптировать алгоритмы вывода насосного оборудования в оптимальном энергосберегающем режиме работы, исключая риск возникновения аварий. Проект реализован на базе Научно-образовательного центра геологии и разработки нефтяных и газовых месторождений (НОЦ ГиРНГМ).  Финансирование проекта за 3 года составило 118 млн. руб.

4. В рамках выполнения государственного задания в 2021 г. созданы две лаборатории под руководством молодых ученых.

Лаборатория методов создания и проектирования систем «материал–технология–конструкция», руководитель С.Д. Неулыбин, к.т.н.

В настоящее время лаборатория реализует проект «Разработка научно-технологических основ повышения эксплуатационных характеристик изделий и технологичности процессов создания систем материал - технология - конструкция на основе гибридных аддитивных технологий». Работы по проекту предполагают получение комплекса результатов в области формирования системы «материал-технология-конструкция» посредством применения гибридных аддитивных технологий. Отличительной особенностью планируемых к разработке методов и подходов является возможность их использования как в качестве самостоятельного инструмента, так и в комбинации друг с другом и с существующими методами. Такой подход создает благоприятные условия для внедрения разработок и хорошо зарекомендовал себя на предыдущих этапах работы коллектива.

Лаборатория многоуровневого моделирования конструкционных и функциональных материалов, руководитель Н.С. Кондратьев, к.ф.-м.н.

На настоящий момент сотрудники лаборатории занимаются разработкой научно-технологических основ повышения эксплуатационных характеристик изделий и технологичности процессов создания систем материал - технология - конструкция на основе гибридных аддитивных технологий. В результате выполнения запланированных в Проекте работ предполагается создание усовершенствованного программного комплекса с инкапсулированными  конститутивными моделями материалов, методика определения оптимальных функциональных физико-механических свойств при эксплуатации изделий (с учетом устойчивости к различным возмущениями) для решения краевых задач с целью установления рациональных режимов технологических процессов, в результате которых формируется структура материала, приводящая к достижению оптимальных функциональных свойств изделия.

ПНИПУ является ключевым участником Научно-образовательного центра мирового уровня «Рациональное недропользование» (НОЦ), созданного в рамках реализации национального проекта «Наука» по Указу Президента Российской Федерации № 204. Пермский НОЦ перед собой ставит задачу объединив талантливую молодежь в университетах, научных организациях и на предприятиях, добиться технологических прорывов в отраслях, связанных с недрами, не только для Пермского края, но и для других регионов, где активно разрабатывают недра. Поэтому наряду с добычей нефти и твердых полезных ископаемых, НОЦ работает с проектами, связанными с энергетикой, экологией, химией, фармацевтикой и здравоохранением.

Значимые проекты на направлению «Авиационное и ракетное двигателестроение, механика материалов и конструкций» (ЦАЛ-1).

— Расчетно-экспериментальное исследование вибраций вентилятора авиационного двигателя при обледенении (грант РНФ, срок реализации с 2022 по 2024 гг.), руководитель – В.Я. Модорский, д.т.н., руководитель Центра высокопроизводительных вычислительных систем.

Научной проблемой, на решение которой направлен проект, является отсутствие комплексных экспериментальных и численных исследований для прогнозирования процессов образования и асимметричного разрушения льда на лопатках вращающегося вентилятора, а также недостаточное исследование причин, по которым происходит асимметричный сброс льда.

— Исследование влияния модальной структуры звукового поля в волноводе и присоединенных резонаторах на импедансные характеристики звукопоглощающих конструкций авиационного двигателя» (грант РНФ, срок реализации с 2022 по 2023 гг.), руководитель –  В.В. Пальчиковского, доцент кафедры «Ракетно-космическая техника и энергетические системы».

В результате реализации проекта получены следующие результаты:

• разработаны и изготовлены одно- и двухслойные образцы звукопоглощающих конструкций для проведения верификационных исследований по определению импеданса методом Дина с учетом модального состава в резонаторах сотовой формы в интерферометре нормального падения;
• разработан алгоритм и программный код для автоматизации измерений импеданса на интерферометре нормального падения методом Дина на «чистом синусе»;
• создана база расчетных значений импеданса звукопоглощающей конструкции с конструкционными параметрами, соответствующими натурным акустическим облицовкам авиационных двигателей, полученные по классическому и модифицированному методу Дина, учитывающему модальный состав звукового поля в резонаторах, при их функционировании в интерферометре с потоком;
• разработана и изготовлена кассета для образца звукопоглощающей конструкции в интерферометре со скользящим потоком с возможностью установки в него зондовых микрофонов для измерения импеданса методом Дина;
• разработаны и изготовлены образцы звукопоглощающих конструкций для проведения верификационных исследований в интерферометре со скользящим потоком по определению импеданса методом Дина с учетом модального состава звукового поля в резонаторах сотовой формы.

Значимые проекты на направлению «Передовые производственные технологии» (ЦАЛ-2).

— Управление микроструктурой, прочностью, остаточными напряжениями и искажениями геометрии при гибридном аддитивном производстве» (грант РНФ, срок реализации с 2021 по 2023 гг.), руководитель – Д.Н. Трушников, д.т.н., профессор кафедры «Сварочное производство, метрология и технология материалов».

В результате реализации проекта получены следующие результаты:

1. Отработаны технологии гибридного аддитивного производства материала с различными технологическими режимами. Отработаны режимы процесса послойной проковки. Выполнено гибридное аддитивное производство материала с различными технологическими режимами. Получены стенки, наплавленные с использованием процесса холодного переноса металла с межслойной проковкой. Отработаны режимы термообработки для образцов из стали, алюминиевых и титановых сплавов, полученных с помощью гибридных аддитивных технологий.
2. Исследованы характеристики трещиностойкости и малоцикловой усталости испытуемых материалов, полученных аддитивным гибридным производством при различных параметрах технологического процесса, и в сравнении с исходным материалом, полученным прокаткой. Установлено положительное влияние проковки на эти характеристики для алюминиевого сплава, стали.
3. Получено численное решение модельной задачи эволюции пористости материала при проковке и качественное исследование описания моделью наблюдаемой экспериментально эволюции пористости, модельной задачи процесса твердофазного превращения в прокованном слое в ходе термоцикла в рамках подходящей модельной задачи и качественное исследование описания моделью наблюдаемой экспериментально эволюции микроструктур.
4. Изготовлены опытные образцы-демонстраторы для машиностроительных предприятий с использованием модернизированного оборудования, проведены контроль и испытания полученных типовых образцов-демонстраторов.

— Процессы накопления повреждений, закритическое деформирование и разрушение конструкционных материалов при сложных термомеханических воздействиях: экспериментальные исследования, моделирование, вопросы техногенной безопасности (грант РНФ, срок реализации с 2022 по 2024 гг.), руководитель – В.Э. Вильдемана, д.ф.-м.н., заведующий кафедрой «Экспериментальная механика и конструкционное материаловедение», руководитель центра экспериментальной механики.

Проект посвящен развитию методологии комплексных расчетно-экспериментальных исследований и подходов к решению проблем прочности и техногенной безопасности, направлен на получение на основе комплексного экспериментального и численного изучения новых фундаментальных результатов о закономерностях кинетики повреждений, устойчивого закритического деформирования, формирования условий макроразрушения конструкционных материалов (металлов и композитов) при сложном напряженно-деформированном состоянии и сложных режимах внешних воздействий.

Значимые проекты на направлению «Технологии рационального недропользования» (ЦАЛ-3).

В рамках реализации ЦАЛ-3 в ПНИПУ проводился завершающий этап исследования влияния эффективных давлений на фильтрационно- емкостные свойства горных пород и сроки выработки извлекаемых запасов нефти (грант РНФ, срок реализации с 2019 по 2024 гг.) под руководством В.В. Поплыгина, к.т.н., доцента кафедры «Нефтегазовые технологии» (НГТ). 

В рамках текущего этапа проекта исследовались фильтрационные свойства трещиноватых горных пород. Для изучения влияния трещины без учета пористости выбраны низкопроницаемые терригенные породы. Проведён отбор образцов горных пород, в том числе с естественными трещинами. Выбран тип горных пород с естественными трещинами и для изготовления искусственных трещин. Были изготовлены образцы с трещинами. Искусственные трещины сделаны продольными относительно цилиндрических образцов путем раскалывания по методу бразильского теста, трещины направлены вдоль направления с минимальными скоростями прохождения упругих волн.

Проведены лабораторные исследования, в том числе с использованием рентгенографии, для определения характера возникающих трещин при нагружении.

По результатам томографии подготовлены изображения пустотного пространства, срезы томограмм, карт пористости, и гистограмм распределения размеров (раскрытия) пор. Построены профилограммы трещин образцов. Получено распределение раскрытости трещин образцов. Исследован переток флюидов между матрицей и трещинами при нестационарной фильтрации.

Выполнены лабораторные исследования по определению фильтрационно-емкостных свойств образцов размеров 30х30 мм. По результатам фильтрационных исследований установлено, что образцы обладают крайне низкой проницаемостью, но при этом очень высокой пористостью – до 50%.

Разработана методика исследований перетока флюидов между матрицей и трещинами при нестационарной фильтрации. Выявлены критерии увеличения интенсивности перетока нефти из матрицы в трещины.

Определены значения гистерезиса проницаемости дифференцированно для поровой и трещинной части горных пород при изменении давления. Установлено влияние механического уплотнения на проницаемость пористой матрицы на примере пористых образцов кернов. Установлено, что для пористой горной породы причинами гистерезиса проницаемости при изменении давления являются механическое уплотнение и миграция коллоидных частиц.

Разработаны модели нестационарной фильтрации флюидов в залежах с трещиноватым коллектором для увеличения охвата пласта дренированием и извлечения нефти с учетом гистерезиса проницаемости при пластических деформациях. Математическая модель учитывает распределение неоднородностей трещин и их изменение при нагружении образцов горных пород. В результате моделирования получены профилограммы трещин, а также профили скоростей потока газа с учетом нагружения цилиндрических образцов в кернодержателе.

Исследованы технологии ограничения скорости фильтрации воды по трещинам для увеличения охвата пласта дренированием углеводородов и извлечения нефти. В трещиноватых коллекторах вода из нагнетательных скважин быстро перемещается по пласту и поступает в добывающую скважину. В рамках данных исследований была разработана полимерная композиция для трещиноватых коллекторов.

По на направлению «Природоподобные технологии» (ЦАЛ-4) реализован проект «Разработка научных основ экологически чистых и природоподобных технологий и рационального природопользования в области добычи и переработки углеводородного сырья» (гос.задание, срок реализации проекта 2020-2023 гг.), руководитель – Аснин Л.Д., к.х.н., научный руководитель лаборатории рационального природопользования и природоподобных технологий

Практическая значимость выполненных исследований заключается в разработке методических подходов к инвентаризации выбросов парниковых газов производственных объектов, которые могут быть использованы при составлении отчетов по количественному определению объема выбросов парниковых газов и косвенных энергетических выбросов парниковых газов. Предлагаемые природоподобные технологии трансформации органических отходов обеспечивают минимизацию углеродного следа и вовлечение отходов в ресурсные и энергетические циклы с использованием способов рекуперации энергии и консервации углерода. Практическим результатом предлагаемого подхода может быть переход в перспективе на бескислородное жидкое топливо из растительного сырья взамен жидкого топлива из минерального сырья.

Значимые проекты на направлению «Технологии для медицины и наук о жизни» (ЦАЛ-5).

— Построение многоуровневой математической модели морфогенеза эпителиальной ткани под действием химических и механических сигналов, руководитель (грант РНФ, срок реализации с 2023 по 2025 гг.), руководитель – Красняков И.В., к.ф.-м.наук, старший преподаватель кафедры «Прикладная физика».   Проект направлен на построение многоуровневой математической модели морфогенеза двумерной клеточной ткани эпителия, которая включают в себя деформируемые клетки с индивидуальной динамикой и учитывает хемомеханическое взаимодействие. А также изучение процессов жизнедеятельности, глобального структурообразования и темпов роста в развивающихся тканях при морфогенезе методами математического моделирования. Научная новизна проекта определяется тем, что разрабатываемая математическая модель будет учитывать все перечисленные выше взаимодействия, которые присущи реальным эпителиальным тканям. Также стоит отметить, что разработка таких многоуровневых математических моделей сложных систем является нетривиальной задачей, так как все уровни описания должны быть синхронизированы и обмениваться данными между собой. Развитие этого направления и одновременный прорыв в развитии компьютерной техники в настоящий момент подводят исследователей к возможности полноценного реалистичного моделирования живой ткани.

— В рамках ЦАЛ-5 в ПНИПУ ученые Пермского Политеха, совместно с коллегами из Пермского государственного медицинского университета имени академика Е.А. Вагнера и МГМСУ им. А. И. Евдокимова, в рамках межвузовского консорциума, разработали робот-тренажер, который приблизит подготовку студентов-стоматологов к реальным условиям медицинской клиники, а также позволит оценить качество работы с помощью нейросети. Исследование было представлено на конференции молодых исследователей России по электротехнике и электронике «2023 ElConRus», состоявшейся в Санкт-Петербурге. Создание тренажера на базе антропоморфного робота, то есть похожего на человека, для проведения практических занятий студентов-стоматологов позволит автоматически оценивать навыки учеников без участия преподавателя. Кроме того, использование подобного андроида в качестве основы обеспечит обратную связь от «пациента» в виде движений и речи.

ПНИПУ осуществляет научные исследования в интересах промышленных предприятий реального сектора экономики.

Развивая научное направление ЦАЛ-1, по заказу промышленных предприятий группы «ОДК», университет проводит усталостные испытания образцов критических зон конструкции деталей МГ из ПКМ, испытания в рамках специальной квалификации материалов основных и особо ответственных деталей (кафедра «Авиационные двигатели»). Проводятся испытания по определению пороговых значений СРТУ в рамках специальной квалификации материалов заготовок основных и особо ответственных деталей (Центр экспериментальной механики). В лаборатории механизмов генерации шума и модального анализа Центра акустических исследований проводятся акустические испытания для повышения эффективности системы шумоглушения. В Научно-образовательном центре авиационных композитных технологий разрабатываются технологии изготовления изделий   из полимерных композиционных материалов по препреговой технологии.

Развивая научное направление ЦАЛ-2, по заказу АО «ПЗ Маш» разрабатываются новые методики определения остаточных напряжений и деформаций в конструкциях из композиционных материалов (кафедра «Механика композиционных материалов и конструкций»). По заказу ПАО НПО «Искра» на кафедре «Ракетно-космическая техника и энергетические системы» проведены разгонных испытаний рабочих колес центробежных компрессоров на испытательном стенде.  На кафедре «Химические технологии» разработан состав антикоррозионного, теплостойкого покрытия и технологии его нанесения на окислительностойкий углерод-углеродный композиционный материал, а также разработана установки для оценки стойкости композиционных материалов к воздействию высокотемпературного потока газов по заказу АО «УНИИКМ».

В рамках исследований ЦАЛ-3 на кафедре «Маркшейдерское дело, геодезия и геоинформационные системы» проводятся наблюдения и анализ сдвижений земной поверхности месторождений с помощью космического радарного мониторинга на объектах. По заказу ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ» на кафедре НГТ проводится цифровой мониторинг энергетического состояния месторождений с использованием виртуальных замеров пластового давления. В НОЦ «ГиРНГМ» разработана комплексная технология интенсификации добычи нефти путем рекуперации энергии системы ППД. В Научно-образовательном центре энергосберажения   разработана методика расчета и анализа работы релейной защиты и противоаварийной автоматики, с учетом специфики систем электроснабжения цехов добычи нефти и газа на объектах ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ». На кафедре НГТ реализуется оптимизация составов сухих тампонажных смесей тампонажных материалов с контролем качества выпускаемой продукции по заказу ООО «НПФ «Монолит».

Развивая природоподобные технологии, а также технологии медицины (ЦАЛ-4 и ЦАЛ-5) в Испытательном центре средств индивидуальной защиты ПНИПУ выполняются исследования и испытания продукции, предоставленной Заказчиком -АО «Тамбовмаш», АО «Сорбент», ООО «Профит» и др.

В Пермском краевом центре охраны труда (ПНИПУ) разработан комплекс исследования и оценки достаточности осуществляемых мероприятий по защите работающего персонала от поражения при возможном воздействии технологических токсичных веществ в интересах ООО «Ависма».

На кафедре «Вычислительная математика, механика и биомеханика» разработана методика построения цифровой модели и методики стерилизации с помощью гамма-облучения индивидуальных краниопластических имплантов из углерод-углеродного композиционного материала «Углекон-МТ» для закрытия дефектов черепа. Исследования выполняются в интересах АО «УНИИКМ».

В 2023 году работниками университета, аспирантами и докторантами было опубликовано 2732 научных публикаций, из них 1 277 научных статей. Публикации в изданиях индексируемых в базе данных Web of Science и Scopus составили 454. Совместно с зарубежными организациями подготовлено 80 статей. Цитирование публикаций, изданных за последние 5 полных лет в научной периодике, индексируемой в базе данных Scopus составило 6 090, в базе данных РИНЦ – 15 158.

ПНИПУ издает 16 научных журналов:

1. Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика
2. Российский журнал биомеханики. Russian Journal of Biomechanics
3. Construction and Geotechnics
4. Недропользование
5. Прикладная математика и вопросы управления / Applied Mathematics and Control Sciences
6. Технологос
7. Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение
8. Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника
9. Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Химическая технология и биотехнология
10. Вестник ПНИПУ. Электротехника, информационные технологии, системы управления
11. Пермского национального исследовательского политехнического университета. Прикладная экология. Урбанистика
12. Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Социально-экономические науки
13. Вестник ПНИПУ. Проблемы языкознания и педагогики
14. Транспорт. Транспортные сооружения. Экология
15. Прикладная фотоника (Applied photonics)
16. Master’s Journal

В 2023 году Университет представлен в международной наукометрической базе Scopus журналами:

1. Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика (главный редактор д.физ.-мат.н., профессор П.В. Трусов).
2. Российский журнал биомеханики (главный редактор д.физ.-мат.н., профессор А.Г. Кучумов).
3. Недропользование (главный редактор д.геол.-мин.н., профессор В.И. Галкин).

Работниками университета, аспирантами и соискателями в 2023 году защищено 47 диссертации, из них 40 диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук и 7 диссертаций на соискание ученой степени доктора наук.