Композитные материалы — это важный инструмент в авиации, энергетике и химической промышленности. Они прочные, легкие и незаменимы там, где важны надежность конструкции и минимизация веса – например, при изготовлении емкостей для хранения сжиженных газов, опасных химикатов и горючего топлива. Ученые из Пермского политеха разработали новый подход для расчетов композитных оболочек, который учитывает разные факторы: влияние температуры, нагрузки и взаимодействие материалов. Это позволяет предсказать возможность появления дефектов и повышать надежность изделий.

Статья опубликована в журнале «Прикладная математика и вопросы управления», №4, 2024. Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект № FSNM-2023-0006).

В химической, нефтегазовой, аэрокосмической промышленности очень важно безопасно хранить используемые вещества: кислоты и щелочи разъедают даже металл, горючее топливо взрывоопасно и требует идеальной герметичности, а сжиженные газы (как водород или метан) должны храниться под высоким давлением — любая трещина в емкости грозит утечкой и взрывом.

Раньше для этого использовали стальные резервуары, но они тяжелые, ржавеют и могут лопнуть. Сегодня на смену им приходят композитные оболочки. Это полые конструкции из нескольких слоев специальных материалов – полимерных смол, армированных волокнами (углеродными, стеклянными и др.). Они сверхпрочные, легкие и не ржавеют даже от агрессивных химикатов, что делает их идеальными для хранения и транспортировки жидкостей и газов под высоким давлением.

Изготавливать такие оболочки сложно. Один из самых перспективных методов — так называемая непрерывная мокрая намотка, когда стекло- или углеволокно пропитывают смолой, наматывают на форму и заставляют затвердевать под действием высоких температур. Так создается бесшовная сверхпрочная оболочка, надежно защищающая контейнер с веществом внутри от повреждений.

Тем не менее, при производстве новых изделий с разными схемами намотки и материалами часто возникают проблемы: реальная форма отличается от проектной, появляются скрытые дефекты и падает прочность. Причина в том, что существующие методы расчетов не учитывают или слишком упрощают поведение оправки: как ведет себя материал при нагреве, где возникают напряжения, как слои материала оболочки взаимодействуют друг с другом и оправкой. Технологические погрешности накапливаются и в конечном счете могут привести к дефектам, снижению прочности конструкции и даже утечкам потенциально опасных веществ.

Ученые Пермского политеха разработали комплексную расчетную методику, которая учитывает, как ведут себя материалы при разных производственных условиях – и под нагрузкой, и при нагреве. Это особенно важно при длительной намотке и обработке высокими температурами.

Сначала политехники провели серию экспериментов. Образцы материалов оправки и композиционной оболочки испытали на растяжение, сжатие и релаксацию (как материал «расслабляется» под нагрузкой, когда напряжение в нем медленно начинает спадать). Проверяли при разных температурах – от комнатной до той, которой композитный материал достигает при термообработке на производстве – 150°C. На основе полученных данных ученые создали специальную компьютерную программу, которая помогает предсказывать возможные дефекты в композитных материалах еще на стадии разработки. Эта программа разработана с использованием современных технологий моделирования, что позволяет значительно повысить надежность и безопасность готовых изделий.

Точность модели и алгоритма была испытана на реальной конструкции из композита. Ученые провели расчеты и получили данные о распределении напряжений и температур в процессе ее производства.

– Когда оболочку наматывают и нагревают, оболочка прижимается к оправке со всех сторон. Мы выяснили, что температура при этом распределяется равномерно (от 138 до 155 °C), сжатие сильнее всего в местах закреплений (25-30% от предела прочности) – все это в пределах нормы. Однако расчеты показали, что при охлаждении на концах появляются зоны, где оболочка может отслоиться. Алгоритм в данном случае предсказывает вероятность появления расслоений в композиционном материале, – рассказывает Ляйсан Сахабутдинова, доцент кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика» ПНИПУ.

Выводы алгоритма, разработанного учеными Пермского политеха, помогут прогнозировать возможные дефекты, а, следовательно, оптимизировать технологические параметры (например, скорость намотки или температуру термообработки). Это позволит снизить риск брака при производстве крупногабаритных оболочек для хранения газов, химикатов и горючего топлива.

Поддержать редакцию