Специалисты МАИ внесли вклад в разработку нового материала для авиапрома
9 сентября 2020
Команда Московского авиационного института опубликовала результаты исследования, посвящённого свойствам нового композиционного материала, имеющего большие перспективы в авиапромышленности. Исследователи экспериментальным путём обнаружили его «слабые места», которые необходимо учитывать при разработке новых образцов.
Работа велась под руководством доцента кафедры 602 «Проектирование и прочность авиационно-ракетных и космических изделий» МАИ Юрия Соляева в рамках молодёжного проекта Российского научного фонда. Участниками исследования стали профессор кафедры 602 Сергей Лурье, директор института № 9 «Общеинженерной подготовки», профессор кафедры 902 «Сопротивление материалов, динамика и прочность машин» Лев Рабинский, а также студенты и аспиранты МАИ.
Результаты работы были недавно опубликованы в ведущем международном журнале Composites Part B: Engineering, посвящённом композиционным материалам.
Руководитель проекта Юрий Соляев рассказал пресс-службе МАИ, в чём заключалось исследование и какую практическую пользу оно в дальнейшем принесёт отрасли.
Уникальный композит
Предметом исследования специалистов МАИ стал алюмостеклопластик — композиционный материал, известный за рубежом под названием GLARE и применяемый компанией Airbus в фюзеляжах А380. В нашей стране он выпускается под маркой СИАЛ Всероссийским научно-исследовательским институтом авиационных материалов (ФГУП ГНЦ «ВИАМ»), представители которого также участвовали в исследовании.
Материал состоит из тонких, порядка 0,3–0,4 мм в толщину, чередующихся слоёв алюминиевого сплава и стеклопластика. Благодаря своей слоистой структуре он обладает рядом уникальных свойств.
— Достоинство такого материала — более высокие по сравнению со стеклопластиком параметры длительной прочности, устойчивости к образованию трещин и ударопрочности. При этом он обладает лучшими характеристиками удельной жёсткости и прочности по сравнению с алюминиевыми сплавами, — объясняет Юрий Соляев.Среди других плюсов материала — повышенная огнестойкость по сравнению с обычными полимерными композитами, так как в их составе присутствуют высокопроводящие металлические слои, а также пониженная плотность и хорошие антикоррозионные характеристики. Таким образом, при правильном проектировании и использовании материал может сочетать в себе достоинства и полимерных композитов, и конструкционных алюминиевых сплавов.
Ход эксперимента
Одна из актуальных сейчас задач — разработка алюмостеклопластиков для производства панелей крыла. Для таких высоконагруженных элементов конструкций необходимо создание композитов толщиной 5–15 мм, в то время как наиболее распространенные и хорошо исследованные зарубежные марки имеют толщину 1,5–2 мм.
— В нашей работе мы исследовали упруго-пластические характеристики материала толщиной более 5 мм, состоящего из девяти слоёв алюминиевого сплава и восьми слоёв однонаправленного стеклопластика. Образцы были изготовлены коллегами во ФГУП ГНЦ «ВИАМ», — говорит руководитель проекта.В процессе испытаний образцов на изгиб команда получила необычные результаты, которые не смогла сразу объяснить.
— Во-первых, мы установили, что несущая способность коротких образцов оказывалась ниже по сравнению с расчётной на 30–40%, — рассказывает учёный. — Во-вторых, оказалось, что кажущаяся межслоевая прочность композита значительно зависит от размера образца, а в испытаниях на изгиб — от расстояния между опорами. Такие эффекты для кажущейся межслоевой прочности хорошо известны в механике композитов, и они обычно могут быть объяснены влиянием анизотропии, поперечного обжатия и других факторов. Однако в данном случае внесение стандартных поправок в расчётную модель всё равно не позволило описать те существенные эффекты, которые наблюдались в эксперименте.
Важная особенность
Не получив ожидаемого результата, команда МАИ перестроила свою модель с учётом ещё одной особенности полимерных композитов, которая ранее не принималась во внимание в исследованиях металлополимерных материалов.
— Мы предположили возможность возникновения существенных пластических деформаций в слоях стеклопластика при межслоевом сдвиге, который возникает при изгибе образцов. И это действительно позволило описать с высокой точностью все имеющиеся экспериментальные данные, — заключает Юрий Соляев.Таким образом, исследователи показали новый эффект, который ранее не был известен или, по крайней мере, не обсуждался широко для GLARE: межслоевой сдвиг в таких материалах может вести к значительным пластическим деформациям, локализованным в слоях стеклопластика.
Этот результат важен, так как предложенные методы расчёта позволяют более аккуратно оценивать межслоевую прочность алюмостеклопластиков и надёжнее прогнозировать их несущую способность в составе конструкций.
По словам Соляева, в дальнейшем специалисты МАИ продолжат работу в этом направлении. В ближайших планах — исследовать особенности упруго-пластического поведения алюмостеклопластиков с различной схемой армирования в условиях статической и динамической нагрузки.
На главном фото (слева направо): аспирант института № 9 Василий Добрянский, доцент кафедры 602 Юрий Соляев, младший научный сотрудник института № 9 Арсений Бабайцев.
