Программный комплекс и компьютерные геометрические модели, которые позволят определить реальные прочностные характеристики создаваемых для ракетно-космической техники пространственно-армированных композитов, разработали ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), 12 декабря сообщает пресс-служба вуза.

Алгоритм, созданный в ПНИПУ, позволит усовершенствовать качество деталей самолетов и ракет.

В ракетостроении в настоящее время широко применяются композитные материалы, усиленные армирующей нитью — пространственно-армированные композиты. Изменяя схему плетения, количество и тип волокон, можно повышать прочность и упругость изделий.

Чтобы избежать дорогостоящих экспериментов, разработчики таких материалов для определения их механических характеристик применяют математические модели. В отличие от существующих в настоящее время моделей для прогнозирования свойств создаваемых новых материалов, которые строятся, исходя из идеализированной структуры материала, и не принимают в расчет реальные факторы, разработанный пермяками алгоритм учитывает неравномерную деформацию армирующих нитей при их изготовлении.

Созданный в Пермском Политехе программный комплекс и компьютерные геометрические модели пространственно-армированных композитов, разработчиками был проверен экспериментально.

Результаты их исследования ученые представили в статье «Микроструктурное моделирование и прогнозирование эффективных упругих свойств в 3D армированном композитном материале», опубликованной в журнале «Физика и механика материалов» (2022).

Один из разработчиков, и. о. завкафедрой «Механика композиционных материалов и конструкций» аэрокосмического факультета Пермского Политеха, кандидат технических наук Павел Писарев рассказал о решаемых ими задачах:

«Проведение физических экспериментов для определения новых свойств материалов — дорогостоящее и трудозатратное мероприятие. Более экономичным способом являются имитационные эксперименты, но они не обеспечивают необходимой достоверности оценки. Известные программные комплексы моделируют идеализированную структуру материала. Но в процессе изготовления геометрические параметры каркасов будущих композитов могут меняться из-за неравномерной деформации нитей. Мы предложили создать алгоритм, который впервые позволит учитывать эти изменения, чтобы оценивать свойства материалов более точно».

С целью проверки разработанного ими алгоритма для решения задач микромеханики пространственно-армированных композитов, который учитывал бы технологические отклонения при их изготовлении, исследователи изготовили соответствующий композит.

Для этого они под давлением в жесткой форме пропитали полимером текстильный армирующий каркас. Далее были смоделированы характеристики структуры его заготовки как с помощью нового алгоритма, так и существующей программы TexGen. После чего был проведен томографический анализ материала.

«Одним из показателей эффективности разработки является определение объемной доли нитей в каркасе материала», — пояснил исследователь.

Эксперимент показал, что отличие значений между моделью, созданной новым алгоритмом, и томографическим анализом составило всего 3,1%, что явилось доказательством высокой точности его работы, тогда как разница данных в случае использования программы TexGen составила 15,8%.

Также алгоритм точно рассчитал характеристики материала на сопротивление растяжению, сжатию или деформации при сдвиге, рассказал Павел Писарев.