Инженеры Центра композиционных конструкций МАИ разрабатывают метод достоверных виртуальных испытаний полимерных композиционных материалов (ПКМ). Новый подход значительно сократит сроки и стоимость разработки новых летательных аппаратов за счет переноса большей части испытаний в цифровую среду. В будущем метод ляжет в основу систем прогнозного обслуживания.
«При изготовлении современных самолетов производители все чаще используют ПКМ — материалы, которые легче и прочнее металлов и не подвержены коррозии. Но методы расчета прочности и сертификации конструкций до сих пор были ориентированы на металлы и зачастую не работают для сложной, разнородной структуры композитов. Это вынуждает производителей проводить колоссальный объем дорогостоящих и длительных натурных испытаний, чтобы доказать безопасность нового крыла или фюзеляжа», — рассказала участница проекта, инженер Центра композиционных конструкций МАИ Елизавета Рыжова.
Цель проекта — создать комплексную цифровую систему прогнозирования остаточного ресурса и управления состоянием критически важных композитных конструкций. Система включает этап создания высокоточной модели цифрового двойника и этап внедрения системы интеллектуального мониторинга с элементами управления ростом трещин.
Первый этап подразумевает создание высокоточной предсказательной математической модели разрушения — цифрового двойника материала и конструкции. Принцип действия основан на комбинации современных вычислительных методов, позволяющих быстро анализировать цифровую микроструктуру материала и предсказывать зарождение микротрещин, описывать, как эти микротрещины сливаются и ветвятся, образуя сложную сеть повреждений, а также эффективно моделировать рост уже сформировавшейся макротрещины, в том числе между слоями.
По словам инженера, главный принцип на этом этапе — многоуровневое моделирование, которое интегрирует процессы на микро-, мезо- и макроуровне. Этот подход связывает в единую модель поведение отдельного волокна, слоя материала и всей конструкции целиком и позволяет с высокой точностью предсказать, где, когда и как начнется разрушение под нагрузкой.
Второй этап — инновационная часть, которая выведет проект на новый уровень. Она предполагает объединение цифрового двойника с данными от датчиков, встроенных непосредственно в конструкцию планера.
В процессе эксплуатации эти датчики в режиме реального времени будут передавать информацию о состоянии конструкции. Это позволит системе заблаговременно распознавать критические нагрузки и прогнозировать развитие повреждений. В перспективе система сможет не только выдавать предупреждения, но и инициировать работу систем активного контроля для замедления роста трещин или перенаправления нагрузок, что продлит срок службы конструкций.
«Таким образом, суть проекта — не просто создать модель, а сделать переход от планового техобслуживания к прогнозному, которое предотвращает проблему до ее возникновения. Такой подход позволит осуществлять более безопасную и экономически эффективную эксплуатацию», — отметила Елизавета Рыжова.
На мировом рынке современные методы механики разрушения композитов уже включены в процессы цифрового проектирования и виртуальных испытаний. При этом их развитие часто фрагментарно и завязано на коммерческие интересы отдельных игроков. В России также ведутся НИОКР в этом направлении, однако они носят скорее точечный характер, не охватывая полный цикл создания конструкции, включая этапы проектирования, испытаний и сертификации.
На текущий момент в рамках проекта завершен фундаментально-аналитический этап. Проведен всесторонний системный обзор и сравнительный анализ современных методов механики разрушения, их возможностей и ограничений применительно к композитным материалам. Сейчас проект перешел на этап исследований и разработки. Специалисты МАИ приступили к созданию и верификации новых гибридных вычислительных моделей, объединяющих сильные стороны разных методов механики разрушения. Кроме того, ведется активная экспериментальная работа по натурным испытаниям образцов для валидации цифровых моделей. В планах научного коллектива МАИ через два-три года иметь готовую и апробированную методику, а в перспективе пяти лет выйти на создание полноценного отечественного ПО.
Проект реализуется в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет-2030» (нацпроект «Молодежь и дети»).
