МАИ разрабатывает цифровую систему для испытания композитов в авиации

Инженеры Центра композиционных конструкций Московского авиационного института (МАИ) разрабатывают инновационный метод достоверных виртуальных испытаний полимерных композиционных материалов. Работа призвана значительно сократить сроки и стоимость разработки новых летательных аппаратов, сообщил ТАСС со ссылкой на пресс-службу МАИ.

При изготовлении современных самолетов производители все чаще используют полимерные композиционные материалы — 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. 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», — заявила Елизавета Рыжова, инженер Центра композиционных конструкций МАИ.

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», — уточняет Елизавета Рыжова.

Прогнозное техобслуживание и конкурентоспособное ПО

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 часто носит фрагментарный и коммерчески ориентированный характер.

В России ведутся научно-исследовательские работы по внедрению подобных методов, однако 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», — пояснила Елизавета Рыжова.

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 в перспективе пяти лет выйти на создание полноценного отечественного ПО, конкурентоспособного на мировом уровне и готового для внедрения в процессы цифровой сертификации.