Композиты активно используются для производства высокопрочных армированных изделий. Например, на основе эпоксидных или полиэфирных смол и полимеров сложных виниловых эфиров методом намотки создают крупные детали для авиации и машиностроения. Будущую оболочку наматывают на специальную заготовку той же формы и размеров, что и поверхность будущего
изделия. Оболочка должна выдерживать воздействие ударов и перепады температур. Для производства крупных изделий применяют заготовки из песчано- полимерных смесей или легкоплавких материалов, которые затем разрушают.
Однако прогнозирование поведения материалов в больших конструкциях требует проведения экспериментов, а значит, влечет за собой высокие затраты.
– 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.
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.
Разработка в дальнейшем может стать частью отечественного цифрового двойника композитных оболочек, который будет учитывать сложное нелинейное поведение материалов. В перспективе это позволит провести импортозамещение зарубежного ПО, которое используется сейчас.
Результаты работы ученые опубликовали в статье. Исследование, соответствующее направлениям Пермского НОЦ «Новые материалы и вещества», а также «Цифровизация и роботизация производств и сервисов», реализовано при финансовой поддержке РФФИ и Пермского края.