Лаборатория №3

Прочность и интеллектуальные конструкции

1. Гибридные (про-бионические) перспективные КСС и конструкции на их основе:

- Формирование требований к про-бионическим конструкциям СПС, позволяющих реализовать положительный синергетический эффект в повышении жесткостных и прочностных характеристик и снижении массы конструкции.

4. Использование SMART-материалов в элементах летательных аппаратов для управления геометрией и динамическими процессами:

- Выбор smart-материалов, перспективных для управления геометрией и динамическими процессами летательных аппаратов.

6. Виртуальные испытания в рамках пирамиды расчетно-экспериментальных исследований конструкции:

- Разработка основных принципов виртуального моделирования механических, ударных и климатических испытаний деталей и фрагментов конструкций, в том числе для перспективных КСС. Разработка расчетных моделей определения характеристик перспективных материалов для металло-композитных конструкций при циклическом нагружении. Формирование требований для стенда анализа прочности элементарных и конструктивно подобных про-бионических конструкционных образцов на основе принципа виртуального эксперимента.

1. Проведен анализ особенностей существующих бионических конструктивно-силовых схем (КСС) и определены следующие базовые требования к бионическим авиационным конструкциям, позволяющим реализовать положительный синергетический эффект в повышении жесткостных и прочностных характеристик и снижении массы конструкции:

‒            разделение элементов конструкции на группы по функциональному назначению, каждая из которых отвечает за восприятие отдельного вида нагружения (внешние силы и моменты, ударные нагрузки, тепловые нагрузки и др.);

‒            защита высоконагруженных элементов конструкции от ударных и климатических воздействий (влажность, температура и др.);

‒            снижение концентраций напряженно-деформированного состояния в элементах металло-композитной конструкции за счет использования положительных синергетических эффектов от применения структур с большим градиентом механических свойств. Выполнение данных требований предполагается достичь за счет рационального выбора конструкционных материалов:

а)           применение в конструктивных элементах материалов с ярко выраженной спецификацией свойств, в зависимости от функций элемента;

б)           использование эластичных материалов для обтягивающих защитных слоев, прилегающих к высокопрочным силовым элементам и имеющих разреженную пористую структуру, с целью обеспечения прочности силового элемента при механическом нагружении, ортогональном направлению основных потоков усилий (ударные воздействия, локальные стыки для соединения вспомогательных элементов);

в)           рациональные сочетания высокопрочных материалов (армирующие углеродные волокна) и низкопрочных эластичных материалов (связующих).

К конструкциям, удовлетворяющим указанным требованиям, относятся реберные и ферменные структуры на основе однонаправленных композитных элементов (ребер, стержней), лонжероны с композитными поясами с однонаправленной укладкой и гофрированными стенками, пористые мезоструктуры, изготавливаемые на основе аддитивных технологий.

2. В качестве smart-материалов выбраны smart-системы, основанные на использовании пьезоэффекта и представляющие собой кусочно-однородные тела, состоящие из упругих и вязкоупругих элементов, пьезоэлементов к электродированным поверхностям которых могут быть подключены электрические цепи из резисторных, емкостных и индуктивных элементов, а также электропроводящие материалы, в частности из графеновых композитов, которые выполняют одновременно роль конструкционного материала и резисторных элементов. Для электровязкоупругого тела, состоящего из упругих, вязкоупругих, пьезоэлектрических элементов и электродированных поверхностей, к которым подключены электрические цепи, предложена математическая постановка задачи о квазистатическом и динамическом деформировании.

3. Каждая ступень пирамиды расчетно-экспериментальных исследований тесно связана с процессом сертификации посредством натурных испытаний. На первом этапе, когда нет устойчивой базы данных по характеристикам материала и методикам моделирования, каждая ступень моделирования подтверждается натурными испытаниями. В процессе создания базы данных моделирование позволит уменьшить количество необходимых испытаний (а также количество образцов в партии на единицу испытаний), проводимых на этапе конструирования и сертификации ЛА, что, в свою очередь, снизит стоимость и сроки разработки изделия.

Первая ступень - микромеханическое моделирование свойств компонентов композиционного материала. Одной из перспективных концепций применения микромеханики является моделирование нерегулярных зон конструкций (зоны механических соединений, сбега толщин и т.д.), то есть зон, из-за которых конструкция набирает больше всего паразитного веса за счет высокой консервативности используемых критериев прочности в этих зонах. В данном вопросе требуется внедрение новых методов моделирования, отходящих от анализа изолированной ячейки материала. Одним из возможных подходов является разрабатываемый в МАИ «прямой подход» (direct approach), подразумевающий непосредственную вставку детализированного до волокна и матрицы элемента материала в слой с обобщенными свойствами. Этот подход применим как на уровне элементарных однонаправленных образцов для испытаний, так и на уровне многослойного пакета с разной ориентацией слоев, что составляет т.н. «слоистую ячейку».

Вторая ступень пирамиды (элементарные образцы) служит в основном для расчетного повторения общей квалификации. На данном этапе проверяются физико-механические свойства пакета композиционного материала путем сравнения с результатами, полученными при проведении сертификационных испытаний по утвержденным методикам и стандартам. В процессе подтверждения полученных характеристик при моделировании создается обширная база данных по химическим и физико-механическим свойствам материалов. Полученные данные в первую очередь служат обоснованием выбора материалов (волокна, связующего, сотового заполнителя и т.д.) для дальнейшего проектирования и создания конструкций.

Третья и четвертая ступень пирамиды (конструктивно-подобные образцы) подтверждает специальную квалификацию материала. Здесь учитывается моделирование элементов конструкций, используемых для изготовления отсеков фюзеляжа, кессона крыла, оперения и т.д. Определяются расчетные значения характеристик материала на основе сравнения результатов моделирования и экспериментальных данных. В данную ступень входит моделирование на основе статического, динамического, усталостного и климатико-прочностного нагружения, а также учитываются характеристики трещиностойкости, полученные на элементарных образцах. Результатом такого моделирования является:

•    уточнение локальных зон конструкций агрегатов и узлов,

•    создание локальных критериев прочности,

•    выдача рекомендаций по учету и устранению в конструкциях влияния технологических дефектов и внешних факторов.

Пятая ступень пирамиды (расчет агрегатов конструкции) включает в себя полномасштабное моделирование таких элементов конструкции, как отсек фюзеляжа, кессон крыла, органы управления и механизации, опоры шасси и др. Разработанная в МАИ методика пошаговой параметрической оптимизации учитывает анизотропные свойства ламината при параметрической оптимизации толщин таких элементов кессона, как лонжероны, нервюры и обшивка, с ограничениями по прочностным показателям, а также при аналитической оптимизации шага стрингеров и стоек лонжеронов с ограничениями по потере устойчивости.

Последней и самой важной ступенью пирамиды является расчет планера ЛА. При моделировании всего планера самолета ведется полный учет баз данных по материалам, технологиям изготовления конструкций, элементам конструкции, узлам и агрегатам, а также истории его нагружения.

В процессе моделирования учитываются все ранее проработанные методики, связанные с микромеханикой, элементарными и конструктивно-подобными образцами, агрегатами конструкций.

Разработанная методика позволяет получить конструкцию планера с минимальной массой при сохранении необходимых характеристик жесткости и прочности за счет учета изменения геометрии крыла под действием аэродинамических сил.

---

Гибридные (про-бионические) перспективные КСС и конструкции на их основе:
- Разработка концепций перспективных про-бионических КСС для критических зон СПС с использованием материалов с большими градиентами значений физических и механических свойств.
- Исследование положительных синергетических эффектов от взаимодействия основных компонентов перспективной про-бионической конструкции СПС по улучшению жесткостных и прочностных характеристик.

1. Сформирована базовая концепция бионической конструкции фюзеляжа на основе жесткого силового композитного каркаса и системы защиты каркаса, включающей эластичные обшивки.
2. Выбраны расчетные методы оценки синергетического эффекта в повышении жесткостных и прочностных характеристик бионической конструкции.

Результаты исследований по максимизации положительных синергетических эффектов от взаимодействия составных элементов про-бионической конструкции. Концепции про-бионических перспективных КСС, реализующие положительную синергетику.
Результаты исследований по максимизации положительных синергетических эффектов от взаимодействия составных элементов про-бионической конструкции. Концепции про-бионических перспективных КСС, реализующие положительную синергетику.

---

Прикладные нелинейные модели для анализа нагрузок, прочности и аэроупругости в условиях скоростного полета:
- Проведение обзора существующих моделей для анализа нагрузок, прочности и аэроупругости СПС для различных уровней детализации конструкции планера.
- Формирование требований к нелинейным моделям для анализа нагрузок, прочности и аэроупругости перспективных про-бионических конструкций.
- Формирование требований к методике выбора рациональных параметров про-бионических КСС, реализующих положительные синергетические эффекты по улучшению жесткостных и прочностных характеристик (включая противоударные и звукоизоляционные свойства).

Обзор и анализ существующих моделей для анализа нагрузок, прочности и аэроупругости СПС для различных уровней детализации конструкции планера. Обоснование необходимости применения нелинейных моделей для учета особенностей нагружения конструкции планера в условиях скоростного полета.

Набор базовых требований к нелинейным моделям для анализа нагрузок, прочности и аэроупругости про-бионических конструкций СПС. Требования к методике выбора рациональных параметров про-бионических КСС. Методика формирования нелинейных прочностных моделей про-бионических конструкций для альтернативных вариантов КСС с системой защиты ответственных элементов. Обзор существующих моделей для анализа нагрузок, прочности и аэроупругости СПС.

---

Интеллектуальные системы мониторинга механического состояния конструкций на основе волоконно-оптических технологий.

На основе численного моделирования получены результаты, позволяющие для волоконно-оптических датчиков деформации на брэговских решётках, расположенных на поверхности материала, оценить влияние клеевого соединения на погрешность вычисления деформации.

Результаты численного моделирования. Алгоритмы компенсации влияния температуры и сложного напряжённого состояния при измерениях ВОДД. Концепция интеллектуальной системы мониторинга механического состояния конструкций.

---

Использование smart-материалов в элементах летательных аппаратов для управления геометрией и динамическими процессами.

Разработан алгоритм решения задачи о собственных колебаниях и вынужденных установившихся колебаниях smart-систем, представляющих собой кусочно-однородные тела, состоящие из упругих и вязкоупругих элементов, пьезоэлектрических элементов, к электродированным поверхностям которых подключены электрические цепи, состоящие из резисторов, емкостей и индуктивностей.

Алгоритмы решения задач, обеспечивающие получение численных результатов при использовании smart-материалов для управления геометрией и динамическими процессами.

---

Разработка метода повышения усталостной прочности сплавов авиационного назначения на основе лазерной проковки.

Модель процесса генерации остаточных напряжений, включая аналитические соотношения, позволяющие оптимизировать технологический процесс лазерной ударной проковки с учётом баланса энергии в материале в процессе деформирования.

Модель процесса, позволяющая оптимизировать технологический процесс лазерной ударной проковки с учётом баланса энергии в материале в процессе деформирования. Техническое задание на прототип установки, позволяющей проводить исследование процесса образования остаточных напряжений в металлах в результате обработки лазером.

---

Виртуальные испытания в рамках пирамиды расчетно-экспериментальных исследований конструкции:

- Разработка новых методов расчетного анализа прочности высоконагруженных стыков про-бионических конструкций. Разработка и апробация методов виртуального моделирования прочностного эксперимента для элементов, конструктивно-подобных образцов, в том числе для перспективных КСС.

- Формирование технического задания на стенд виртуального эксперимента для анализа прочности элементарных и конструктивно подобных образцов про-бионической КСС.

1. В области разработки новых методов расчетного анализа прочности и проектирования бионических конструкций было выполнено:

- произведен обзор существующих методик топологической оптимизации применяемых в современной авиационной промышленности;

- определена структура концепции перспективных про-бионических КСС в соответствии с пирамидой расчетно-экспериментальных исследований;

- сформированы требования к методам расчетного анализа прочности.

2. В области разработки бионических КСС ответственных агрегатов планера перспективного гражданского ЛА было выполнено:

- проведен анализ ограничений, накладываемых на конструкцию бионического дизайна с технологической точки зрения;

- проведен анализ потребных зон планера самолёта, как объектов внедрения бионического дизайна.

3. В области разработки методов виртуального моделирования прочностного эксперимента для элементов в том числе, для перспективных КСС было выполнено:

- создана микромеханическая модель материала;

- проведен анализ методов виртуального моделирования для образцов элементарных конструкций спроектированных с помощью бионических систем;

- определены общие требования к построению методов виртуального моделирования;

- сформированы требования по анализу прочности элементарных конструкций спроектированных с помощью бионических систем.

4. В области разработки методов виртуального моделирования прочностного эксперимента для конструктивно-подобных образцов, в том числе, для перспективных КСС было выполнено:

- проведен анализ методов виртуального моделирования для конструктивно-подобных образцов (в том числе стыков) спроектированных с помощью бионических систем;

- определены общие требования к построению методов виртуального моделирования;

- сформированы требования по анализу прочности конструктивно-подобных образцов спроектированных с помощью бионических систем;

- выполнен сравнительный анализ про-бионических конструкций с альтернативными КСС.

Стандартизированные микромеханические модели материалов; сравнительный анализ про-бионических конструкций с альтернативными КСС; валидация нелинейных прочностных моделей на основе расчетно-экспериментальных исследований элементарных и конструктивно подобных образцов. Техническое задание на стенд виртуального эксперимента для анализа прочности элементарных и конструктивно подобных образцов с про-бионической КСС.

---