Передовая инженерная школа «Цифровой инжиниринг»: Программа топологической оптимизации изделий из ТПКМ (этап 2022 г.).

Ключевым мировым трендом (фронтирной задачей) в области разработки полимерных композитов является использование в качестве связующего новых высокотемпературных соединений, которые значительно превосходят традиционно применяемые эпоксидные смолы. Эффективность замены эпоксидных углепластиков на углепластики на основе термопластичных связующих на основе суперконструкционных полимеров связана с высокой вязкостью разрушения термопластичных ПКМ (реактопласты —2 Дж/см2, эластифицированные реактопласты — Дж/см2, термопласты — 8 Дж/см2, термопластичные полиарилены типа ПЭЭК — свыше 12 Дж/см2). Использование ПКМ на основе термопластов дает возможность заменить мелкие детали на крупные, уменьшив их число на 40-50 %. Масса летательного аппарата при этом уменьшится на 20 % по сравнению с металлическим вариантом. Замена металлических деталей и узлов в ракетно-космической технике, самолетах и автомобилях на суперконструкционные полимеры и композиты позволит значительно снизить их массу, так как они легче алюминия на 40 %, титана на 55%, стали на 70 %. Материалы обеспечивают малую радиолокационную заметность. Использование в современной отечественной авиакосмической отрасли преимущественно металлических материалов объясняется тем, что в нашей стране разработка полимерных материалов для изделий, несущих существенные нагрузки в последние десятилетия не проводилась, а разработанные ранее полимерные материалы не отвечают постоянно ужесточающимся требованиям АП-25, а также имеют длительный цикл изготовления. Ведущие мировые производители авиационной техники (Boeing, Airbas) применяют в конструкции ЛА в основном полимерные материалы, в том числе суперконструкционный полиэфирэфиркетон (ПЭЭК), композиты на его основе, а также конструкции и изделия из них находят широкое применение в авиастроительном комплексе всего мира благодаря таким качествам, как высокая прочность, коррозионная стойкость, низкая плотность, пожаробезопасность. В частности, данные материалы могут быть использованы для изготовления элементов корпуса беспилотных летательных аппаратов, пропеллеров, лопастей и антенн, сильно нагруженных деталей скольжения (втулки, упорные подшипники, направляющие планки и т.д.). Для успешного внедрения новых композиционных материалов в производственные цепочки требуется как разработка новых технологий их получения и переработки, так и разработка новых подходов к моделированию и проектированию изделий из них. Решение запланированных инженерных задач может внести существенный вклад в «укрепление позиций России в области экономического, научного и военного освоения космического и воздушного пространства, Мирового океана, Арктики и Антарктики» (Указ Президента РФ от 01.12.2016 N 642 "О Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации"). В стратегии национальной безопасности Российской Федерации, утвержденной Указом Президента Российской Федерации от 02.07.2021 N 400 сказано «Целью научно-технологического развития Российской Федерации является обеспечение технологической независимости и конкурентоспособности страны, достижения национальных целей развития и реализации стратегических национальных приоритетов». В связи с этим, научно-исследовательская политика данного проекта, включающая разработку отечественных композиционных материалов на основе термопластичных связующих, методов их переработки, прогнозирования свойств материалов и изделий из них, включение их в конкретные изделия и производственные цепочки, несомненно, внесет значительный вклад не только в решение проблемы зависимости от импортных поставок стратегических материалов, но и в предотвращение угроз безопасности государства в условиях мобилизационной экономики, а также послужит катализатором развития высокотехнологичной стратегически важной авиакосмической отрасли экономики. В интересах АО «Композит» в 2022-2024 гг. планируется выполнение СЧ ОКР «Разработка архитектуры и специализированного программного обеспечения для проведения топологической оптимизации конструкций ДСЕ РКТ из композиционного материала с матрицей из суперконструкционного термопласта, армированного углеродным волокном». ПО для проведения топологической оптимизации изделий из композиционного материала с матрицей из суперконструкционного термопласта, армированного углеродным волокном, должно обеспечивать процесс изменения конструкции детали при заданном критерии оптимальности с сохранением или улучшением ее функциональных характеристик при построении компьютерной 3D модели изделия. Основными результатами проекта будут: - инженерное программное обеспечение для проведения топологической оптимизации изделий из композиционного материала с матрицей из суперконструкционного термопласта, армированного углеродным волокном. - оптимизированная модель изделия, которая обеспечит снижение массы финального изделия по сравнению со «сплошным» неоптимизированным изделием, не менее чем на 20 % при сохранении заданных ключевых прочностных параметров («сплошное» неоптимизированное изделие – это изделие, изготавливаемое с применением металлических сплавов). - интеграция разработанного инженерного ПО топологической оптимизации композитных структур в цифровую платформу разработки и применения цифровых двойников CML-Bench™.