Российский научный фонд (РНФ) поддержал проект ученых ЮУрГУ, направленный на определение условий, обеспечивающих заданную выносливость композитного материала при определенных условиях эксплуатации конструкции. Это позволит предсказывать долговечность конструкций из композитных материалов при циклическом нагружении и определять оптимальную структуру укладки слоёв в нём. Такие композиты могут эффективно использоваться в авиации, космонавтике, автомобилестроении и многих других отраслях.
Возникновение дефектов, микротрещин, изменение размеров детали после разгрузки – признаки необратимого деформирования материала, оказывающие негативное влияние на эксплуатационные характеристики и долговечность машин, изготовленных из композитных материалов.
Полимерные волокнистые композиты обладают чрезвычайно высокими механическими характеристиками и долговечностью лишь при нагружении вдоль волокон. Однако на способность материала выдерживать высокие нагрузки длительное время накладывает ограничения его полимерная структура за счёт своей вязкоупругости и невысокой прочности. Это ярко проявляется, когда используется тканевая арматура или слои композита имеют волокна разной направленности.
Проект научных сотрудников ЮУрГУ предполагает обширные экспериментальные исследования по определению предельно допустимых условий нагружения. В своей работе ученые фиксируют поля деформаций в процессе длительного нагружения, определяют моменты нарушения сплошности композита и формируют критерии накопления микроповреждений и разрушения. В исследовании используется оборудование центра прикладных исследований и разработки новых конструкционных материалов, руководителем которого является Олег Кудрявцев.
Оценить кратковременную прочность слоистого композитного материала при заданном нагружении стало возможным благодаря программе FARGR2, ранее зарегистрированной учеными ЮУрГУ в реестре программного обеспечения РФ. Это позволило найти предельное сочетание нагрузок на композит, которые он способен выдержать лишь один раз.
«Для определения величины нагрузок на изделия, эксплуатируемых длительное время при переменных нагрузках, нужна другая программа и создать её – одна из задач данного проекта. Мы планируем разработать программу, используя которую, конструкторы смогут правильно спроектировать высоконагруженную деталь автомобиля, самолёта или ракеты, а технологи – обеспечить необходимую структуру материала», – рассказывает руководитель проекта, профессор кафедры «Техническая механика» Сергей Сапожников.
Сергей Сапожников подчеркивает, что благодаря корректному математическому моделированию станет понятно, какую долговечность будет иметь определенный участок конструкции при заданных условиях эксплуатации. Изменяя структуру композита в конкретном месте или нагрузку, можно управлять долговечностью.
Использование данного подхода позволит существенно сократить этапы отладки конструкций, снизит расходы на проектирование ответственных изделий, повысит их надёжность.
Разработка представляет интерес для ПАО «Объединённая авиастроительная корпорация» («ОАК»), Госкорпораций «Роскосмос» и «Росатом».
Южно-Уральский государственный университет – это университет трансформаций, где ведутся инновационные исследования по большинству приоритетных направлений развития науки и техники. В соответствии со стратегией научно-технологического развития РФ университет сфокусирован на развитии крупных научных междисциплинарных проектов в области цифровой индустрии, материаловедения и экологии. В 2021 году ЮУрГУ победил в конкурсе по программе «Приоритет 2030». Вуз выполняет функции регионального проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня (УМНОЦ), который призван решить задачи национального проекта «Наука и университеты».