Разработка теоретических основ создания полимерных композиционных материалов и элементов газотурбинных установок с улучшенным комплексом функциональных и конструкционных свойств

Проект направлен на получение новых знаний в области создания современных интеллектуальных композиционных материалов нового поколения и решение актуальной фундаментальной задачи повышения комплекса эксплуатационных характеристик, обеспечения безопасности эксплуатации и контроля качества высоконагруженных элементов авиационных конструкций из керамических и полимерных композиционных материалов. Магнитоэлектрические материалы являются одними из наиболее перспективных функциональных материалов современной электроники, что обуславливает актуальность прогнозирования их уникальных упругих и электромагнитных (в частности, диэлектрических, пьезоэлектрических, магнитострикционных) свойств, которыми можно эффективно управлять с помощью внешних механических и электромагнитных воздействий. Магнитоэлектрические константы гомогенных магнитоэлектриков очень малы, что обуславливает актуальность создания гетерогенных композиционных магнитоэлектриков, магнитоэлектрические константы которых могут на несколько порядков превосходить соответствующие константы гомогенных материалов; возникновение эффекта магнитоэлектрической связанности композита обусловлено деформационным взаимодействием его пьезоэлектрической и магнитострикционной подсистем (фаз) даже в отсутствие такого эффекта для каждой фазы. Изучение закономерностей и эффектов влияния начального напряженного состояния элементов структуры материала на особенности его последующего нагружения одна из современных задач механики композитов, решение которой актуально для различных практических приложений, в частности, ультразвукового неразрушающего контроля напряженного состояния элементов конструкций. Интеллектуальные материалы с эффектом памяти формы – восстановления начальной формы и размера после приложения к ним внешнего воздействия (температуры) открывают новые возможности для создания уникальных изделий аэрокосмической техники, радиоэлектроники, медицины, что обуславливает актуальность разработки теоретических принципов построения адекватных определяющих соотношений, способов создания и управления характеристиками материалов с памятью формы при температурных и механических воздействиях. Для поликристаллических материалов важной задачей является выявление «паттернов» опасных кластеров в виде локальных областей с неблагоприятным взаимным расположением зерен, изучение закономерностей физических механизмов сильных межзеренных взаимодействий и формирования первых очагов повреждений в этих кластерах, что актуально для решения важной задачи повышения надежности элементов конструкций из таких, в частности, керамических материалов, при этом стохастическая структура поликристалла обуславливает необходимость применения вероятностного подхода к оценке надежности. Актуальной задачей механики является объяснение некоторых специфических особенностей гиперцикловой усталости поликристаллических материалов; гиперцикловая усталость наблюдается при очень малых амплитудах макронапряжений и деформаций, намного ниже любых макроскопических пределов прочности, когда очаги повреждений перемещаются внутрь с поверхности образца. Этому эффекту пока нет объяснения с позиций механики деформируемого твердого тела. Перспективным к решению актуальных и фундаментальных задач обеспечения надежности высоконагруженных элементов авиационных полимерных композитных конструкций является подход, который основан на самом принципе создания композиционного материала и, в целом, композитной конструкции одновременно из ряда отдельных структурных элементов, в частности: волокон, ткани, матрицы и, дополнительно, информационных и «интеллектуальных» элементов, т.е. фактически имеем создание многофункциональной «интеллектуальной материал-конструкции», с возможностью самодиагностики и функцией целенаправленного управления своими характеристиками. Информационные и интеллектуальные элементы интегрируются в структуру полимерного композиционного материала и обеспечивают решение актуальной задачи регистрации и передачи информации о состоянии материала и физического воздействия с целью изменения его характеристик. Применение таких материалов позволит реализовать управление деформированием элементов авиационных конструкцийдля демпфирования вибрации и снижения шума, генерируемого при обтекании воздушным потоком. В качестве интеллектуальных (информационных) элементов в настоящем проекте рассматриваются оптические волокна, электролюминисцентные, пъезоэлектрические, магнитострикционные элементы. Разрабатываемые оптоволоконные системы, встраиваемые на этапе создания в структуру или закрепляемые на поверхности композитной конструкции, актуальны для практического применения с целью мониторинга целостности, локации и визуализации дефектов типа расслоений, непроклеев, пор в высокочувствительных к таким дефектам полимерных композиционных материалов. Результаты исследования проекта позволят усовершенствовать изготавливаемые в НОЦ АКТ ПНИПУ композитные узлы и агрегаты двигателя ПД-14, разработанная методика позволит выявить закономерности протекающих в композиционном материале процессов и, как результат, улучшить технологию изготовления полимерных композитных конструкций авиационного назначения. Инфраструктура Пермского края позволяет провести полный цикл исследований и внедрения результатов, полученных в рамках данного исследования, так как волоконно-оптические линии разработаны и изготовлены ПАО «ПНППК», Брэгговские решетки изготавливаются Пермской компанией ООО «Инверсия-Сенсор», процесс изготовления опытных изделий из полимерных композиционных материалов и научно-исследовательские работы проводятся в НОЦ АКТ ПНИПУ, где и осуществляется апробация технологий изготовления деталей и узлов двигателя ПД-14 и перспективного авиационного двигателя большой тяги ПД-35. Цель проекта – теоретические основы создания интеллектуальных полимерных и керамических композиционных материалов и элементов авиационных конструкций с улучшенными физико-механическими характеристиками посредством разработки уточненных многопараметрических математических моделей сложного стохастического нелинейного взаимодействия на структурном уровне упругих, пьезоэлектрических, магнитострикционных элементов, встроенных оптоволоконных датчиков и элементов с памятью формы в условиях сложного термосилового нагружения. Представленные задачи являются продолжением работ, которые начаты в рамках данной тематики в 2023 г. 2024 год 1. Выявление и изучение закономерностей влияния начального микро- и макроуровневого напряженного состояния на эффективные свойства композитных материалов из пьезоэлектрических и магнитострикционных фаз в рамках обобщенного сингулярного приближения статистической механики композитов квазипериодические модели позволяют непосредственно учитывать разупорядоченность элементов структуры, например, связанную с технологией их изготовления через вычисление поправок к известным решениям для идеально периодических структур композитов. 2. Разработка и отладка компьютерных кодов, генерирующих большие массивы моделей поликристаллических тел со случайными микроструктурами, реализующих метод решения краевой задачи для каждой модели с последующим отбором моделей с экстремальными микроструктурами, реализующих численный поиск и визуализацию экстремальных микроструктур. Прогнозирование экстремальных флуктуаций мезодеформаций и мезонапряжений в зернах, ведущих к появлению очагов повреждений в материалах и деталях машин при статических нагрузках. Распространение предлагаемого подхода на знакопеременные типы нагружения, характерные для сверхвысокоцикловой (гипер) усталости. 3. Исследование особенностей термомеханического поведения полимерного композиционного материала в процессе формования изделий при помощи волоконно-оптических датчиков и сопоставление параметров технологического режима изготовления с данными, полученными с ВОД. Математическое моделирование термомеханического поведения ПКМ с ВОД при формовании изделий, которое включает в себя: разработку концептуальной модели исследуемого процесса формования; построение геометрической модели слоистого пакета ПКМ; оценку влияния параметров ТП на ФМХ с учетом остаточных технологических деформаций, накопленных в процессе изготовления. Проведение расчетно-экспериментальных исследований (п.1-2) различных технологических режимов изготовления образцов и конструктивно-подобных элементов из ПКМ (с различной матрицей и наполнителем) с ВОД с контролем параметров технологического процесса. Анализ полученных данных с волоконно-оптических датчиков, в рамках расчётно-экспериментальных исследований, остаточных деформаций образцов и КПЭ из различных ПКМ и технологических режимов изготовления. Разработка рекомендаций по выбору параметров технологического процесса формования полимерного композиционного материала и конструктивно-подобных элементов конструкций из ПКМ для снижения остаточных деформаций. 4. Постановка задачи динамического управления деформированием элемента авиационной конструкций из композиционных материалов со встроенной системой пьезоактивных элементов для снижения вибрации и шума, генерируемого при обтекании воздушным потоком. Постановка и разработка алгоритма решения задачи многопараметрической оптимизации элемента авиационной конструкций. Формулировка целевой функции и ограничений для параметров конструкции, пьезоактивных элементов, управляющих воздействий и внешних нагрузок. Проведение тестовых численных расчетов и сравнительная оценка эффективности различных параметров на достижение экстремумов целевой функции. 5. Изучение термомеханических свойств конкретных ППФ (сшитый полиэтилен). Выбор и реализация наиболее информативных и конструктивных схем экспериментов для нахождения параметров определяющих соотношений, а также для проверки степени достоверности разработанных определяющих соотношений применительно к описанию характерных особенностей деформационных процессов в стеклующихся полимерах. Проведение идентификационных DMA - экспериментов с целью идентификации реологических параметров разработанной модели для сшитых полимеров в диапазоне температур, охватывающем интервал стеклования при малых деформациях. Проведение идентификационных ТMA - экспериментов с целью идентификации параметров гиперупругости разработанной модели при температурах выше интервала стеклования. Выбор и расчет материальных параметров определяющих соотношений ППФ. 2025 год. 1. Исследование закономерностей влияния максвелл-вагнеровской релаксации, электропроводных покрытий на поверхностях пор или включений на уникальные эффективные функциональные электроупругие и демпфирующие свойства пьезоактивных материалов. Исследование закономерностей влияния дефектов адгезии в виде отслоений, непроклеев, микропор на или вблизи (окрестности) межфазных поверхностей элементов структуры на эффективные электроупругие свойства матричных полимерных композитов. Диагностирование дефектов пропитки армирующих нитей полимерного композита встроенным оптоволоконным датчиком с длинной слабоотражающей брэгговской решеткой. 2. Проведение серии вычислительных экспериментов по прогнозированию паттернов экстремальных микроструктур в поликристаллических материалах различных сингоний, вычисление вероятностей образования экстремальных микроструктур в макроскопических образцах материалов и деталях машин. Исследование влияния экстремальных кластеров, с учетом вероятности их образования, на некоторые макроскопические свойства (пределы упругости, выносливости), на теоретические пределы повышения некоторых свойств (например, пределов текучести) за счет оптимизации микроструктуры, оценка пределов надежности современных машин большого ресурса, обусловленных случайным образованием экстремальных микроструктур. Исследование особенностей гиперцикловой усталости различных поликристаллических конструкционных материалов - перемещение очагов усталостных повреждений в объем стандартных образцов для испытаний и деталей машин, оценка надежности, объяснение возможности отсутствия пределов выносливости при гиперцикловой усталости (10 в степени +10 выше) для материалов, имеющих предел выносливости при обычной высокоцикловой усталости (до 10 в степени +7 циклов). 3. Разработка эскизной конструкторской документации на изготовление прототипа-демонстратора конструкции из ПКМ, оснащенного волоконно-оптическими датчиками для оценки параметров ТП на ФМХ с учетом остаточных технологических деформаций, накопленных в процессе изготовления. Разработка технологического процесса изготовления прототипа-демонстратора конструкции из полимерного композиционного материала, оснащенного волоконно-оптическими датчиками. Изготовление прототипа демонстратора конструкции из полимерного композиционного материала, оснащенного волоконно-оптическими датчиками; Проведение исследовательских испытаний по оценке термомеханического и лабораторно-эксплуатационного поведения прототипа-демонстратора конструкции из полимерного композиционного материала, оснащенного волоконно-оптическими датчиками, определение показаний, снимаемых с ВОД и независимых систем измерений. Анализ полученных экспериментальных данных по оценке термомеханического и лабораторно-эксплуатационного поведения, величины остаточных деформаций прототипа-демонстратора композитной конструкции. Разработка рекомендаций по внедрению и промышленному освоению методики контроля композитных конструкций, оснащенных системой волоконно-оптических датчиков для контроля параметров технологического режима изготовления. 4. Решение задачи многопараметрической оптимизации, определение оптимальных параметров и алгоритмов управляющих воздействий для элемента авиационной конструкций. Изготовление опытного модельного образца элемента авиационной конструкций из ПКМ со встроенной системой пьезоактивных элементов. Проведение статических и динамических механических испытаний, оценка прочности и жесткости, оценка возможности снижения вибраций (демпфирование колебаний), тестирование режимов управления механической пьезоэлектрупругой деформацией модельного элемента авиационной конструкции. Проведение акустических испытаний модельного элемента авиационной конструкций, в заглушенной камере с потоком. Разработка методики локализации источников шума, генерируемого модельной авиационной конструкции при различных режимах обтекания воздушным потоком с помощью метода акустического биформинга. Исследование влияния параметров набегающего потока на характеристики шума, генерируемого элементом авиационной конструкций. Оценка возможности снижения уровня шума с помощью различных алгоритмов управляющих воздействий на систему пьзоэлементов. 5. Верификационные эксперименты. Замораживание деформаций процессе продольного растяжения «отожженных» трубчатых образцов с измерением коэффициента поперечного сжатия; Воспроизведение в лабораторных условиях процесса изготовления «лепесткового» полуфабриката для изоляции внутренней поверхности трубопровода Воспроизведение в лабораторных условиях процесса осаждения наружной изоляции на трубы в различных условиях ограничения продольных деформаций. Проектирование технологических схем производства и эксплуатации трубчатых изделий из ППФ. Расчет параметров техпроцесса изготовления наружной термоусадочной изоляции, обеспечивающих заданный коэффициент продольной усадки. Прогнозирование термомеханического поведения наружных термоусадочных муфт для сопряжения трубопроводов с различающимися диаметрами. Проектирование конструктивных параметров технологической схемы нагрева экструдированной заготовки для предотвращения (снижения) разнотолщинности стенок термоусадочной трубки. Расчет оптимальной геометрии временных восстановительных экзопротезов из ППФ.