РАЗРАБОТКА ЧИСЛЕННЫХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ МЕТОДОВ СОЗДАНИЯ ОПТИМАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ АРМИРОВАННЫХ СТЕКЛО- И УГЛЕПЛАСТИКОВ АВИАЦИОННОГО ПРИМЕНЕНИЯ

Объект исследования: несущие конструкции из полимерных композиционных материалов. Цель: 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. Разработан атлас используемых схем выкладки однонаправленных и тканых препрегов, построен ряд конечно-элементных моделей микромеханики неоднородных структур однонаправленных полимеризованных препрегов, ламинатов с различной укладкой слоев, и предложена методика определения эффективных упругих модулей на представительных объемах, дополненная результатами расчета модулей приближенными аналитическими методами и данными механических испытаний, выполненных с использованием спроектированной и изготовленной специализированной оснастки по разработанной методике, позволяющей идентифицировать с повышенной точностью величину каждого из девяти упругих модулей ортотропного композита. Для группы деталей-представителей выполнены работы по конвертации их CAD-моделей, включая выявление и устранение причин некорректного преобразования в конечно-элементные форматы. С использованием найденных матриц упругих констант и метода восстановления картины распределения действующих в конструкции напряжений и деформаций путем решения задач аэромеханики, основанного на использовании импортированных CAD моделей, виртуальной обдувки конструкции в аэродинамической трубе путем численного решения уравнений Навье - Стокса, усредненных по Рейнольдсу (RANS) и дополненных k - w моделью турбулентности и определения поля давлений, действующего на поверхности детали при ее различных ориентациях относительно потока воздуха, решена группа задач снижения локальной напряженности композитных конструкций с трансверсальной и ортотропной анизотропией материала за счет выбора оптимальной выкладки слоев препрега. При этом в качестве оптимизируемого критерия использовано максимальное в теле конструкции значение критерия Цая-Ву, коэффициенты которого были определены экспериментально на группе представительных схем укладок препрега с трансверсальной и ортотропной анизотропией. Результаты выполненной оптимизации были использованы для дизайна выкладки и намотки слоев композитного препрега для деталей типа открытых оболочек и прототипов лонжеронов - труб переменного сечения. Представленный подход и разработанные программные средства оптимизации, продемонстрировавшие высокую эффективность и устойчивость при небольших вычислительных затратах, были апробированы при проектировании группы композитных конструкций.При выполнении проекта были созданы и отработаны на группе систем - многослойных пьезокомпозитных конструкций, балочных конструкций с возможным повреждением, процессов автоклавного и пресс-камерного формования композитных конструкций сложной геометрии - универсальная методика многокритериальной оптимизации распределенных структур, программное обеспечение, осуществляющее итерационный вызов прямой задачи моделирования при сканировании области в пространстве переменных дизайна с учетом конструктивных и иных ограничений, а также наглядную визуализацию двумерных проекций многомерной области оптимума в пространстве переменных дизайна. Разработаны методика и средства многомасштабного моделирования упругих свойств армированных полимерных композитов с учетом характера их конструкционной анизотропии, в том числе численно-аналитические методы определения полного комплекса упругих свойств многослойных ламинатов, их угловых распределений; основанные на решении связанных задач механики методы учета конструкционной анизотропии композиционных материалов, из которых выполнены подверженные различным эксплуатационным нагрузкам конструкции сложной геометрии и средства многокритериальной оптимизации систем и процессов, включая оптимизацию конструктивной жесткости, характеристик прочности согласно критерию Цая-Ву с учетом ряда ограничений. Результаты могут быть использованы в разрабатывающих авиационных КБ, что подтверждается их высокой оценкой ведущими специалистами отрасли на научно-техническом совете ЦАГИ 21.11.2017.