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.