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.

Поддержать редакцию