«Пирамида» исследований: в МАИ разработали ключ к совершенствованию самолётов из композитов

Фото: Пресс-служба МАИ / Личный архив

В Московском авиационном институте разработана комплексная методология проектирования, производства и эксплуатации композитных конструкций для отечественных самолётов, в частности МС-21 и SJ-100. Внедрение методики позволит ускорить и удешевить создание перспективных гражданских судов, а также повысить их надёжность и долговечность. Работы велись в рамках проекта «Передовые инженерные школы».

В отличие от существующих подходов, часто приводящих к несоответствию между проходящими испытания образцами и реальными агрегатами, инновационная методика МАИ базируется на принципе «пирамиды» расчётно-экспериментальных исследований. Он основан на плавном переходе от микро- к макроуровню. Процесс испытаний начинается с детального изучения композитов на структурном уровне. Затем следует тестирование элементарных образцов, образцов с конструктивными укладками, конструктивно подобных образцов и агрегатов. Такой подход позволяет получать точные данные и предсказывать поведение материалов на ранних этапах проектирования, минимизируя риск дорогостоящих ошибок.

– Когда мы смотрим на композит под микроскопом, чтобы выявить следствия эксплуатационных и производственных дефектов, мы видим несовершенство структуры. Это позволяет предсказать характер разрушения и дальнейшее поведение материала, – объясняет участник проекта, инженер лаборатории №2 «Композиционные материалы» НИО-101 МАИ Сергей Ковтунов. – Помимо этого, мы стараемся более подробно разобрать уровни элементарных образцов. Для этих целей мы проводим испытания и в дальнейшем валидируем наши расчётные модели, учитывающие как внутрислойные, так и межслойные характеристики композитов.

В рамках комплексного анализа учитываются не только свойства композитов, но и детальные геометрические особенности конструкций (радиусы кривизны, толщина переходов) и расположение концентраторов напряжений (отверстий, болтовых соединений, стыков композитов с металлами). Исследователи обращают повышенное внимание на анализ ключевых конструктивных элементов, таких как стрингерные панели, полки и стенки лонжеронов, и различных особо ответственных соединений в конструкции самолёта.

В проекте задействованы специалисты Центра композитных конструкций (ЦКК) и лаборатории №2 НИО-101 МАИ. Исследования ведутся на базе лаборатории «Прочность», входящей в структуру ЦКК. Она оснащена передовым оборудованием, включая три испытательные машины, томограф, установку для шерографии, сканирующий электронный и оптический микроскопы, ультразвуковой дефектоскоп и систему электронной спекл-интерферометрии. 

Такой экспериментально-расчётный комплекс позволяет учёным МАИ проводить полный цикл испытаний на различных уровнях материала и конструкций, исследовать их структуру, выполнять математическое моделирование и валидировать конечно-элементные модели и расчётные методы.

– Всё это обеспечивает нам комплексный подход к решению задач, вплоть до учёта аспектов эксплуатации, – уточняет Сергей Ковтунов.

Работы по проекту реализуются в МАИ как в рамках собственных задельных исследований, так и в рамках контрактов с ведущими предприятиями авиационной отрасли. Уже сейчас разработанные на базе этой методологии решения использует ПАО «Яковлев» для повышения безопасности эксплуатации узлов и агрегатов планера, стоек шасси и в других задачах при работе над SJ-100 и МС-21. При этом методика регулярно дорабатывается и совершенствуется.