От виртуального крыла до прогноза поломок: в МАИ создают новую систему управления ресурсом композитов

Фото: Пресс-служба МАИ / Личный архив

В Московском авиационном институте разрабатывают инновационный метод виртуальных испытаний полимерных композиционных материалов (ПКМ). Проект, который реализуется в Центре композиционных конструкций МАИ, направлен на одну из «болевых точек» авиационной и космической отраслей. Его цель – значительно сократить сроки и стоимость разработки новых летательных аппаратов, а в перспективе – способствовать переходу на их прогнозное техобслуживание. Работа ведётся в рамках программы «Приоритет-2030».  

– При изготовлении современных самолётов производители всё чаще используют ПКМ – эти материалы легче и прочнее металлов и не подвержены коррозии. Однако классические методы расчёта прочности и сертификации авиационных конструкций ориентированы на металлы и зачастую не работают для сложной, разнородной структуры композитов. Это вынуждает проводить колоссальный объём дорогостоящих и длительных натурных испытаний, чтобы доказать безопасность нового крыла или фюзеляжа, – говорит участница проекта, инженер Центра композиционных конструкций МАИ Елизавета Рыжова.

Суть проекта заключается в создании комплексной цифровой системы прогнозирования остаточного ресурса композитных конструкций и управления их состоянием. Для каждой конструкции предполагается формирование цифрового двойника, а затем – введение алгоритмов интеллектуального мониторинга с элементами управления ростом трещин.

Цифровой двойник

Первый этап подразумевает создание высокоточной предсказательной математической модели разрушения – цифрового двойника материала и конструкции из него. Современные вычислительные методы позволяют быстро анализировать структуру материала и предсказывать зарождение микротрещин, описывать, как они будут сливаться и ветвиться, образуя сложную сеть повреждений. Также цифровой двойник помогает эффективно моделировать рост уже сформировавшейся трещины, в том числе между слоями.

– Моделирование, связывающее процессы от микро- до макроуровня, то есть от отдельного волокна до всего крыла или лопасти винта, позволяет с высокой точностью предсказать, где, когда и как начнется разрушение под нагрузкой, – уточняет эксперт МАИ.

Прогнозное техобслуживание

Второй этап – инновационная часть, которая выведет проект на новый уровень. Она предполагает объединение цифрового двойника с данными от датчиков, встроенных непосредственно в конструкцию планера. 

В процессе эксплуатации датчики в режиме реального времени будут передавать информацию о состоянии конструкции. Это позволит заблаговременно распознавать критические нагрузки и прогнозировать развитие повреждений. В перспективе на основе прогнозов будет возможно инициировать работу систем активного контроля для замедления роста трещин или перенаправления нагрузок, что будет продлевать срок службы конструкций.

– Таким образом, суть проекта – не просто создать цифровую модель, а перейти от планового техобслуживания к прогнозному, к предотвращению проблем до их возникновения. Такой подход к эксплуатации более безопасен и экономически эффективен, – говорит Елизавета Рыжова.

Конкурентоспособное ПО

На мировом рынке методы механики разрушения композитов уже интегрированы в процессы цифрового проектирования и виртуальных испытаний. Однако их развитие часто носит фрагментарный и коммерчески ориентированный характер. В России подобные работы также не обладают системностью и не закрывают потребность в создании сквозного цифрового процесса от проектирования до сертификации.

Сейчас проект МАИ находится на этапе исследований и разработки (R&D). Проведён всесторонний обзор и сравнительный анализ современных методов механики разрушения ПКМ, их возможностей и ограничений. Специалисты приступили к созданию и верификации новых гибридных вычислительных моделей, объединяющих сильные стороны разных методов. Параллельно ведутся натурные испытания образцов для валидации цифровых моделей. В планах – получение через три года апробированной методики, а через пять лет – создание полноценного отечественного ПО, конкурентоспособного на мировом уровне и готового для внедрения в процессы цифровой сертификации.