В Сколтехе нашли способ улучшить моделирование дефектов в композитных материалах

Группа ученых из Центра науки и технологий добычи углеводородов Сколтеха получила новые результаты, которые помогут улучшить моделирование дефектов в композитных материалах, а значит для их производства потребуется меньше тестов и расходов. Авторам удалось усовершенствовать созданную ранее модель с учетом того, что волокна в композитных материалах могут быть разнонаправленными и переплетаться между собой, что оказывает значительное влияние на моделирование разрушения.

Волокна идеально ровной и неровной форм / © Милад Джафарипуриа, Сколтех

Новая работа опубликована в журнале Composites: Part A . «Композитные материалы изучают уже много десятков лет, однако несмотря на прогресс, до сих пор остается большой разрыв между расчетами и экспериментальными данными. Нашей целью было сократить этот разрыв, — рассказал первый автор исследования Милад Джафарипуриа, аспирант программы «Математика и механика» в Сколтехе.

— Композитные материалы состоят из двух компонентов: волокон и полимеров. В реальности волокна имеют волнистую форму, но в моделировании разрушения волоконного пучка им всегда придавали прямую форму для упрощения вычислений. Нам удалось учесть в модели, что волокна не обязательно расположены параллельно друг другу: они могут быть разнонаправленными, могут переплетаться. Все это влияет на точность расчетов и оценку прочности материалов».

Результаты ученых помогут доработать созданную в Бельгии модель и совместно разработанную в 2021 году методику по обнаружению дефектов в композитных материалах. Такие материалы широко используются, например, в авиастроении. В этой области особенно важно вовремя найти дефект и принять меры по его устранению.

«Инженерия научилась бороться с отдельными трещинами — эта область в зарубежной науке известна как fracture mechanics. Дефекты обнаруживают во время регулярных инспекций, их вырезают из обшивки самолета, а на это место вставляют заплатку, — рассказал соавтор работы Сергей Абаимов, ведущий научный сотрудник Центра науки и технологий добычи углеводородов Сколтеха. — Но есть более опасные случаи — так называемая damage mechanics, когда в материале появляется огромное количество микродефектов, которые нельзя увидеть невооруженным глазом, а отправлять огромные воздушные суда на рентген невозможно.

Поскольку материал может быть перенасыщен такими трещинами, это может привести к катастрофе: трещину никто не видит, самолет продолжает летать, а потом как гром среди ясного неба один из элементов конструкции разваливается. Против таких ситуаций тоже принимаются меры безопасности по дублированию выполняемых элементами конструкции функций, но вопрос предсказания подобных типов разрушения по-прежнему остается открытым».

По словам разработчиков, изначально модель не учитывала ряд аспектов, в том числе то, что не все волокна параллельны друг другу. «Новое и последующие исследования помогут сделать эту модель более реалистичной, — продолжил Сергей Абаимов. — Наше достижение — в том, что мы впервые смогли промоделировать разрушение в волоконном пучке при реалистичной форме волокон, а когда есть модель, можно выработать различные практические подходы к решению проблемы обнаружения дефектов».