Ученые Московского авиационного института улучшили классическую модель, которая помогает рассчитывать усталостное поведение композитных материалов. Разработка даст возможность инженерам точнее прогнозировать ресурс крыльев самолетов, корпусов кораблей, ракет и космических аппаратов.
«Композиты состоят из очень прочных волокон и связующего материала. Они легкие, но при этом выдерживают большие нагрузки, благодаря чему стали одним из главных элементов современных высокотехнологичных конструкций. Однако из-за особенностей структуры сложно предсказать их поведение при многократных повторяющихся воздействиях, а понимание, как развиваются эти процессы, важно для повышения надежности и безопасности современной техники», — рассказал один из авторов разработки, инженер лаборатории №3 передовой инженерной школы МАИ Глеб Колениченко.
Основы модели заложили бельгийские ученые, специалисты в области механики композитных материалов Вим Ван Папегем и Йозеф Дегрик. В предложенном ими подходе снижение жесткости описывается в три стадии. Сначала происходит резкое падение, потом наступает этап квазилинейного снижения, а затем — ускоренного разрушения, которое приводит к окончательной потере несущей способности материала.
Согласно модели, эти процессы определяются пятью коэффициентами, каждый из которых отвечает за отдельный этап. Первый раскрывает начальную стадию появления микротрещин, второй — их рост, третий — постепенное снижение жёсткости на основном этапе. Четвертый коэффициент отвечает за критерий разрушения — порог, при котором оно наступает. А пятый — учитывает асимметрию поведения материалов при разных видах нагрузки — растяжении и сжатии. Эти показатели не универсальны. Для каждой комбинации компонентов, из которых создают композиты, их подбирают отдельно, отметил специалист.
Ученые МАИ проанализировали чувствительность коэффициентов относительно друг друга. Для обработки данных они создали специальную программу, которая отфильтровывает случайные погрешности. Алгоритмы сглаживают резкие отклонения в рядах данных, которые могли бы исказить расчеты. Это позволяет получить чистую кривую снижения жесткости материалов.
«В исследовании были задействованы три типа материалов — однонаправленный углепластик, волокна которого ориентированы в одну сторону, углепластик с тканым наполнителем — с переплетёнными волокнами — и стеклотканевый композит, где вместо углеродных волокон используют стеклянные. Образцы испытывали на циклические растяжение и сжатие, а результаты экспериментов использовали для корректировки коэффициентов», — пояснил Глеб Колениченко.
В ходе работы выяснили важную закономерность. Оказалось, что два коэффициента, которые отвечают за начальные этапы разрушения — появление и рост микротрещин, — оказались связаны между собой. Если один из них меняется, то второй тоже смещается в ту же сторону. Это значит, что изменения одного параметра могут частично заменять изменения другого. При этом третий коэффициент, который описывает ускоренное разрушение, ведет себя независимо от первых двух. Остальные два параметра, по словам исследователей, вводятся на завершающих этапах калибровки. Они также связаны с первыми, но эта корреляция выражена слабее.
Таким образом, исследователи упростили процедуру калибровки модели, выявив наиболее и наименее чувствительные параметры усталостной прочности материалов, а также устойчивую связь между двумя коэффициентами. Это позволяет значительно сократить время вычислений без потери точности прогноза.
В будущем такой подход может быть полезен для улучшения методик проектирования композитных конструкций, особенно в условиях сжатия, где сегодня отсутствует стандартизированная процедура испытаний, а также для ускоренной оценки свойств новых материалов. Таким образом разработка поможет уменьшить трудоемкость инженерных расчетов на этапе проектирования и откроет путь к более экономичным и безопасным конструкциям в авиации, судостроении, космонавтике и других отраслях.
С 2025 года проект «Передовые инженерные школы» реализуется в рамках национального проекта «Молодежь и дети».
