Разработка новых полимерных волокнистых композитных материалов с управляемой нелинейностью механического поведения и методов проектирования из них элементов турбовентиляторных двигателей

Композиты на основе высокопрочных волокон на сегодняшний день являются одними из самых перспективных материалов для многих отраслей промышленности за счет комбинации уникальных свойств. В то же время, композит сам по себе уже является конструкцией с целым рядом особенностей, что требует применения комплексного подхода к проектированию изделий. Только совместное рассмотрение технологических, экспериментальных и расчетных аспектов позволяет создавать надежные композитные конструкции высокого совершенства. Данный проект направлен на решение проблемы повышения доли волокнистых полимерных композитных материалов в конструкции современных отечественных турбореактивных двухконтурных двигателей за счет разработки новых высокоэффективных волокнистых композитов, совершенствования методов расчетной оценки механического поведения элементов двигателей из таких материалов, экспериментальной верификации расчетных моделей и методов. Потребность в композитах с улучшенными свойствами и верифицированных методиках расчетов конструкций из таких материалов существует во всем мире. Научным коллективом уже разработаны новые численно эффективные подходы к оценке статической, циклической и динамической прочности конструкций из полимерных композитных материалов применительно к турбовентиляторным авиационным двигателем. Совместно с исследователями KU Leuven (Бельгия) разработаны гибридные псевдопластичные углепластики с уникальными свойствами. В процессе работ над Проектом 2018, в рамках консультаций со специалистами предприятий АО «ОДК-Авиадвигатель», ПАО «ОДК-Сатурн», ГНЦ ФГУП «ЦАГИ им. проф. Н.Е. Жуковского», АО «ГРЦ Макеева» был сформулирован ряд научно-практических задач, связанных внедрением композитных материалов в конструкцию новых авиационных двигателей, фюзеляжей самолетов и корпусов ракет многоразового использования, которые могут быть успешно решены с учетом полученного в рамках Проекта 2018 научно-технологического задела: 1. Разработка технологических приемов для минимизации отслоения и повышения трещиностойкости интерфейса «высокомодульный/высокопрочный компоненты» в составе гибридного псевдопластичного композита с целью повышения устойчивости деформирования и снижения чувствительности материала к концентрации напряжений в процессе статического нагружения. 2. Создание и верификация расчетных методик для оценки влияния на статическую прочность толстостенных композитных элементов особенностей мезоструктуры (обрывы слоев, смоляные карманы, оптоволоконные сенсоры и пьезоактивные элементы) при сложном напряженном состоянии. 3. Внедрение разработанной модели накопления рассеянных микроповреждений в однонаправленных и тканевых ПКМ в программный продукт ANSYS для оценки прочности и анализа полей деформаций композитных материалов в условиях плоского напряженного состояния. 4. Разработка расчетно-экспериментальных методов учета влияния технологических особенностей изготовления композитного материала на кинетику саморазогрева при циклическом нагружении. 5. Разработка методических основ расчетной оценки кинетики накопления повреждений в композитных материалах при ультра-малоцикловом и малоцикловом нагружениях. 6. Разработка методики верификации параметров расчетных моделей, описывающих деформирование и разрушение композита при высокоскоростном ударе, по результатам испытаний на низкоскоростной удар. Все указанные задачи связаны с нелинейными аспектами сдвигового взаимодействия полимерной матрицы и высокопрочных волокон на микро- и мезоуровнях, что приводит к наблюдаемым на макроуровне нелинейностям механического поведения композитных материалов и, соответственно, изделий из них. Решение этих задач требует параллельного проведения технологических, экспериментальных и расчетных исследований. Это позволит определить связь целого ряда технологических факторов с прочностью конечного изделия, предложить способы учета влияния этих факторов в процессе разработки и проектирования новых композитных конструкций. Именно комплексность используемых подходов и баланс между фундаментальной и прикладной составляющими исследований определяют актуальность и научную новизну проекта, позволяют эффективно решать поставленные задачи.