Разработка высокоэффективных ударопрочных, вибродемпфирующих и теплозащитных трехслойных конструкций с применением перспективных композиционных материалов

Проект посвящен разработке новых способов конструирования многофункциональных композитных трехслойных сэндвич панелей, применяемых в перспективной транспортной технике авиационного, космического и специального назначения. Рассматривается широкий класс трехслойных конструкций с сотовыми, гофрированными и высокопористыми заполнителями. В качестве конструкционных материалов рассматривается возможность применения гибридных композитов на основе полимерной, металлической и керамической матриц. В частности, рассматриваются композиты с многокомпонентным армированием, в том числе, с ультрадисперсными наполнителями, композиты, армированные вискеризованными волокнами и волокнами с функциональными покрытиями, а также полиматричные композиты. Разрабатываются методики оптимального проектирования трехслойных конструкций, позволяющие выбирать параметры заполнителей и схемы армирования несущих элементов с учетом особенностей строения и эволюции их микроструктуры. При проектировании учитывается расширенный список структурных, конструктивных и технологических параметров, оптимальный выбор которых позволяет добиться синергетических эффектов и получить трехслойные конструкции многофункционального назначения с повышенными характеристиками массовой эффективности, надежности, вибродемпфирования, ударопрочности и теплозащиты. Рассматриваемые классы перспективных композиционных материалов ориентированы на применение в конструкциях различного функционального назначения, работающих в различных температурных условиях (полимерные до ~200-400 С, металлические до ~700-1200 С, керамические до ~1300-2200+ С). Для каждого класса материалов и соответствующих типов трехслойных конструкций должны быть сформулированы основные требования по прочности, теплозащищенности, функциональному назначению, а также параметры нагружения, реализующиеся в условиях эксплуатации. На основе аналитических и численных методов механики деформируемого твердого тела, механики композиционных материалов, строительной механики и теории тепломассообмена должны быть построены алгоритмы проведения процедуры оптимального проектирования исследуемых конструкций. Разрабатываемые алгоритмы должны быть основаны на современных методах теории оптимизации и нелинейного программирования, а также должны включать в себя процедуры топологической оптимизации геометрии внутренних структурных элементов панелей. В процессе исследований должны быть рассмотрены конструкции в виде плоских панелей и панелей в виде элементов оболочек вращения. Для выбранных оптимальных вариантов трехслойных конструкций должны проводиться детализированные численные процедуры верификации, включающие проверку их прочности в условиях ударных, ударно-волновых, вибрационных, акустических и экстремальных тепловых воздействий. По результатам исследований должны быть предложены и протестированы новые подходы к созданию высокоэффективных многофункциональных трехслойных панелей, которые могут применяться в качестве элементов конструкций перспективных высокоскоростных пилотируемых и беспилотных авиационных систем, спускаемых и многоразовых космических аппаратов, спасательных транспортных средств. Актуальность решения рассматриваемой проблемы связана с необходимостью разработки методов эффективного применения современных композиционных материалов в составе конструкций перспективных транспортных средств. Трехслойные панели и оболочки являются одним из основных конструктивных элементов в машиностроительных конструкциях, к которым предъявляются требования по массовой эффективности. Сохранение прочности в условиях высокоинтенсивных динамических механических воздействий и интенсивных тепловых потоков – это одно из основных требований, предъявляемых к перспективным конструкциям машиностроительной отрасли. Поэтому разработка новых многофункциональных трехслойных конструкций с применением гибридных композитов является актуальной фундаментальной задачей, решение которой позволит обеспечить эффективное внедрение в производство новейших результатов исследований в области материаловедения. Научная новизна представляемого исследования заключается в применении расширенного и комплексного подхода 1) при оценке эффективных свойств исследуемых гибридных композитов и 2) при оценке эквивалентных характеристик разрабатываемых трехслойных конструкций. По отношению к классическим моделям строительной механики, механики композитов и теплофизики, в предлагаемом подходе рассматривается детализированная модель структуры материалов, из которых выполняются несущие стенки конструкции и заполнитель. Вводятся соответствующие параметры, характеризующие структуру и состав материалов на микроуровне. В частности, учитывается не только наличие армирующих волокон в волокнистых композитах, но и особенности межфазного строения, наличие покрытий, вискеризации, наличие дополнительных ультрадисперсных наполнителей в матрице, многокомпонентное строение матрицы и т.д. Учитывается эволюция указанных параметров и накопление повреждений в процессе работы конструкции. На макроскопическом уровне, учитываются особенности теплопередачи в проектируемых панелях: учитывается радиационно-кондуктивный теплообмен в пористых заполнителях, учитывается контактное термосопротивление. Проводится анализ возможности использования при проектировании различных теорий пластин и оболочек различного порядка (типа Кирхгофа-Лява, типа Тимошенко и Миндлина-Рейснера) и различных методов оценки эквивалентных характеристик заполнителей. Другой составляющей новизны и особенностью проводимых исследований является учет расширенного спектра параметров внешних воздействий при проведении процедуры оптимального проектирования. Учитываются не только типичные требования по статической прочности, устойчивости, теплозащите и т.д. трехслойных панелей, но и более комплексные требования по ударопрочности, прочности при ударно-волновом нагружении, вибродемпфированию в заданном частотном диапазоне, в том числе, акустическом, потери устойчивости тонких стенок в условиях высокоградиентного нагрева, деградации эквивалентных характеристик панели, деструкции и изменения фазового состава исследуемых материалов в условиях нагрева. В результате формулируемая задача оптимизации обладает расширенным списком варьируемых параметров и сложным набором ограничений. Переменными величинами при оптимизации оказываются не только геометрия элементов панели (толщина слоев и т.д.), но и свойства применяемых композиционных материалов, которые определяются схемой армирования и варьируемыми микроструктурными параметрами. Ограничения формулируются, по возможности, в замкнутой аналитической форме и дополняются численным моделированием для выборочных значений искомых параметров, необходимых для построения поверхности отклика параметра оптимизации. Целевой функцией в большинстве случаев является масса рассматриваемой конструкции. Решения сформулированных задач строятся с использованием современных методов теории оптимизации. Еще одной отличительной особенностью исследований является использование методов топологической оптимизации для поиска оптимальных конфигураций элементов трехслойных конструкций, а также всесторонняя верификация и исследование устойчивости найденных решений задач оптимизации.