Вопросы микромеханики

В Московском авиационном институте (МАИ) разработали инновационные алгоритмы и программный комплекс, которые позволяют с высокой точностью подбирать композиционные материалы для самолетостроения. Новая методика основана на компьютерном моделировании с учетом мельчайших неоднородностей и дефектов, которые содержатся в структуре материалов.

— Мы рассматриваем как композит целиком, так и отдельные его компоненты: волокно, матрицу и взаимосвязи между ними. Также производится исследование различных включений. Например, нанотрубок. Это позволяет подобрать композиты с оптимальными свойствами, которые соответствуют повышенным требованиям по прочности авиационных конструкций, — рассказал «Известиям» соавтор разработки, ведущий инженер МАИ Константин Шрамко.

Ученый пояснил, что композиты обычно состоят из наполнителя (например, стекло- или углеволокон), которые связаны между собой полимерной массой. В результате объединения свойств данных компонентов материаловеды получают сверхлегкие и сверхпрочные материалы, которые востребованы в авиастроениении.

При этом процессы, которые могут привести к разрушению материала, начинают формироваться на уровне его микроструктуры.

— При различных воздействиях волокно может потерять целостность или отслоиться, отклеиться от матрицы. Это может стать началом развития крупных дефектов. При этом толщина стекловолокна — 60–100 микрометров, а углеволокна и того меньше — всего 5–6 микрон (одна тысячная миллиметра, — «Известия), — объяснил Константин Шрамко.

По словам специалиста, новые подходы к моделированию авиационных конструкций, которые разработали в МАИ, позволяют учитывать эти микродефекты. В результате можно получить более точные характеристики необходимых материалов.

Уточнение характеристик

По предварительным оценкам, такая методика позволит сократить сроки научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ при создании новых самолетов на 10–15%. В настоящее время разработку ученых МАИ уже внедряют в работу отечественные конструкторские предприятия.

— Проблема заключается в том, что на начальном этапе проектирования авиационной техники у конструкторов нет реальных параметров, которые можно использовать при расчете прочности конструкций, — рассказал начальник отдела прочности композиционных материалов Института новых углеродных материалов и технологий Михаил Козлов.

Эксперт пояснил, что авиация стремится к максимальной безопасности. Поэтому правила сертификации воздушных судов подразумевают, что все параметры конструкции воздушных судов должны быть подтверждены экспериментально.

Поэтому в начале проектирования самолетов специалисты используют приблизительные характеристики материалов, а впоследствии уточняют их в ходе натурных статических и ресурсных испытаний. Это исследования, в которых реальные образцы конструкций изучают при различных напряжениях и нагрузках.

По мнению Михаила Козлова, учет микромеханических свойств дает возможность уже на начальном этапе достаточно точно предсказать свойства композитов. Это сократит время на подбор необходимых материалов, в чем и заключается заслуга разработчиков из МАИ.

— В программе реализованы численные методы для расчета внутренних неоднородностей и скрытых дефектов композитов, которые обычно авиаконструкторы-прочнисты рассматривают как однородный материал, — рассказал заведующий кафедрой физической химии Университета науки и технологий МИСИС Алексей Салимон.

По его словам, то, что программный комплекс моделирует композит на уровне отдельных волокон, помогает практикам микромеханических испытаний предугадать, что можно получить при проведении эксперимента и как правильно выстроить исследование.

На уровне микронов

Алексей Салимон также отметил, что в настоящее время недостаточное понимание микроструктуры композитов сдерживает их развитие.

— Чтобы исключить риски из-за микродефектов, авиаконструкторы закладывают повышенные коэффициенты прочности и переутяжеляют конструкцию. В итоге внедрение композитов не приводит к рывку в авиастроении, которого от них ожидали, — рассказал он.

Эксперт объяснил, что, если разработка МАИ позволит на уровне единиц микронов моделировать предпосылки к разрушению материала, это поможет специалистам снизить коэффициенты запаса прочности, что даст возможность облегчить авиационную конструкцию.

В результате, по мнению Алексея Салимона, увеличится топливная эффективность самолетов. Они смогут летать дальше или брать больше груза, расходуя меньше энергоресурсов. В конечном счете это позволит снизить стоимость авиаперевозок и цену билетов для пассажиров.

Специалисты отмечают, что новая методика будет востребована и в других сферах машиностроения. Например, в создании автомобилей, кораблей, беспилотных летательных аппаратов и ракетной техники.

— Идет активная замена зарубежных технологий и материалов на отечественные разработки. В связи с этим предприятия и отраслевые научно-исследовательские организации ищут новые конструкторские решения на основе композитов, — рассказал Константин Шрамко.

В настоящее время разработчики продолжают совершенствовать методику и программное обеспечение. Работа над проектом рассчитана на длительную перспективу и проводится в соответствии со стратегическим проектом МАИ «Будущие аэрокосмические рынки – 2050» в рамках программы «Приоритет-2030».