Специалисты МАИ создадут систему виртуальных испытаний композитов

"При изготовлении современных самолетов производители все чаще используют полимерные композиционные материалы, которые легче и прочнее металлов и не подвержены коррозии. Однако методы расчета прочности и сертификации конструкций до сих пор были ориентированы на металлы и зачастую не работают для сложной разнородной структуры композитов", – заявила инженер Центра композиционных конструкций МАИ Елизавета Рыжова.


По ее словам, это вынуждает производителей проводить колоссальный объем дорогостоящих и длительных натурных испытаний, чтобы доказать безопасность нового крыла или фюзеляжа. 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", – подчеркнула Елизавета Рыжова.

Инженеры намерены создать цифровую систему прогнозирования остаточного ресурса и управления состоянием критически важных композитных конструкций. Система включает два этапа: создание высокоточной модели цифрового двойника и внедрение системы интеллектуального мониторинга с элементами управления ростом трещин.

Принцип действия цифрового двойника 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.

"Главный принцип в этом этапе – многоуровневое моделирование, связывающее процессы от микроуровня отдельного волокна до макроуровня всего крыла или лопасти винта. Это позволяет с высокой точностью предсказать, где, когда и как начнется разрушение под нагрузкой", – уточнила эксперт МАИ.

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 в итоге будет продлевать срок службы конструкций.

На мировом рынке современные методы механики разрушения композитов уже интегрированы в процессы цифрового проектирования и виртуальных испытаний. Однако их развитие зачастую фрагментарно и ориентировано на коммерческую выгоду. В России ведутся научно-исследовательские работы по внедрению подобных методов, но они носят точечный, несистемный характер и не закрывают потребность в создании сквозного цифрового процесса от проектирования до 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 работа находится на этапе исследований и разработки", – уточнили в МАИ.

Специалисты МАИ приступили к созданию и верификации новых гибридных вычислительных моделей, объединяющих сильные стороны разных методов механики разрушения. Параллельно ведется активная экспериментальная работа по натурным испытаниям образцов для подтверждения цифровых моделей. В планах научного коллектива МАИ через два–три года иметь готовую и апробированную методику, а на горизонте пяти лет выйти на создание полноценного отечественного ПО, конкурентоспособного на мировом уровне и готового для внедрения в процессы цифровой сертификации.