Разработка численных и экспериментальных методов создания оптимальной структуры армированных стекло- и углепластиков авиационного применения

Объект исследования - несущие конструкции из полимерных композиционных материалов. Цель проекта - разработка методов создания оптимальной структуры композита, включая выбор армирующих волокон, связующих, схему укладки, рекомендации по формированию изделия, для достижения максимально возможных значений пределов эксплуатационной выносливости в условиях заданных внешних силовых и климатических воздействий. Разработаны методика и средства многокритериальной оптимизации по критериям достижения требуемого характера структурной анизотропии материала, на этой основе решена задача оптимизация толщины стенок и выкладки слоев композитного препрега, формирующих конструкцию, имеющей форму открытой оболочки с двойной кривизной. Используемый подход включал преобразование CAD модели поверхности оболочки в ее конечно-элементное представление, виртуальную обдувку конструкции в аэродинамической трубе и определение поля давлений, действующего на поверхности оболочки при ее различных ориентациях относительно потока воздуха. В качестве целевых функционалов оптимизационной задачи приняты полная энергия деформации и пиковые напряжения Мизеса оболочки, и для ее минимизации толщина стенок варьировалась вдоль поверхности с учетом ограничения на общий вес конструкции. В проекте также решена проблема синтеза оптимального управления двухстадийным процессом полимеризации в автоклаве композитной конструкции типа открытой оболочки переменной толщины. Разработанный подход включал импорт геометрии CAD модели детали и оснастки, формулировку задачи полимеризации, ее конечно-элементную реализацию с использованием теплофизических, реологических и термокинетических параметров препрега, определение корректных значений периодов нагрева и изотермической выдержки в результате решения задачи оптимизации и иллюстрируется на примере группы деталей, имеющих геометрию типа открытой оболочки. Разработаны методика и программные средства моделирования и оптимизации выкладок многослойных композитных конструкций, а также процессов их формования с учетом действующих конструкторско-технологических ограничений.