НОВОСТИ СЕГОДНЯ
Российские инженеры предложили новую методику для проверки прочности сложных конструкций — элементов воздушных судов, зданий, турбин и других объектов. Технология заключается в 3D-печати уменьшенных или увеличенных копий деталей из прозрачных полимеров и их испытании под нагрузкой. При этом материал, из которого создают модели, при механических воздействиях меняет оптические свойства, что позволяет визуализировать внутренние напряжения и слабые места конструкции. Разработка также может быть востребована для проверки точности конструкторских программ.
Как 3D-модели и свет выявляют слабые места конструкций
Инженеры Московского авиационного института (МАИ) разработали передовую методику для изучения прочности конструкций. Она предполагает 3D-печать уменьшенных копий исследуемых элементов из прозрачных композитов и их испытание под нагрузками. При этом происходит визуализация слабых и уязвимых мест конструкции.
Разработка предназначена для расчета на этапе проектирования допустимой нагрузки на критически важные детали самолета: крыло, фюзеляж или части двигателя. Также решение подходит для проверки прочности элементов зданий, памятников, кораблей, турбин электростанций и других сложных технических объектов, которые в процессе эксплуатации испытывают значительные нагрузки.
— Методика предполагает создание на 3D-принтере экспериментальных моделей — уменьшенных или увеличенных геометрически подобных копий деталей, прочность которых мы хотим проверить. В качестве материала используются прозрачные полимеры, которые при механическом воздействии меняют свои оптические свойства — благодаря этому можно увидеть, как распределяются нагрузки внутри образцов, — рассказал один из разработчиков, инженер и аспирант кафедры 203 «Конструкция и проектирование двигателей» МАИ Роман Сабитов.
По его словам, если просветить детали поляризованным светом, в них возникают характерные цветные полосы, которые отражают картину внутренних напряжений. По схожему принципу работает тепловизор. Только исследуется не температура, а механические нагрузки.
Предложенный подход позволяет конструкторам быстро выявлять нагруженные зоны исследуемых объектов и — при необходимости — скорректировать их форму таким образом, чтобы повысить их устойчивость к разрушению, объяснил ученый. Разработка совмещает в себе современные технологии 3D-печати и традиционный экспериментальный метод фотоупругости, который основан на изменении оптических свойств прозрачного материала при силовом воздействии на него.
— Ранее для получения экспериментальных моделей применяли литье из эпоксидных смол. Их нагревали, а после разливали в формы и ждали застывания, что занимало недели. При этом любая ошибка влекла за собой остановку процесса и переделывание с нуля. Теперь благодаря 3D-печати подготовка модели занимает несколько часов. Это делает эксперименты надежнее и гибче, — уточнил Роман Сабитов.
При этом новая методика позволяет создавать и проверять сложные по геометрии детали. Также она позволяет моделировать внутреннюю анизотропию (неоднородность) материалов. Это делает эксперименты более реалистичными, добавил он.
Как аналоговый метод помогает проверить цифровые решения
Вместе с тем предложенный подход позволяет проводить проверку корректности вычислительных моделей с помощью сопоставления результатов с натурными экспериментами, отметил специалист. Таким образом, значимой сферой применения разработки может стать тестирование программ для расчета конструкций и анализа прочности.
— К примеру, при компьютерном моделировании конструкции перед расчетом нужно построить конечно-элементную сетку. И в построении ее узлов зачастую закрадывается погрешность, которая, по некоторым данным, может достигать 20–30%. В отличие от таких подходов метод фотоупругости — аналоговый. Он позволяет наглядно увидеть картину распределения напряжений, свободную от вычислительных ошибок и приближений, — пояснил Роман Сабитов.
Это важно, поскольку с российского рынка ушли зарубежные компании, которые предоставляют программы для инженерного анализа, такие как ANSYS и Siemens NX. На смену им приходят отечественные решения, которые требуют тщательной проверки, подчеркнул он.
В настоящее время в целях дальнейшего развития технологии разработчики исследуют более прозрачные полимеры и разрабатывают алгоритмы автоматического анализа полученных картин напряжений, добавил ученый. Также специалисты создают новый стенд для испытаний.
— Метод открывает перспективы для быстрой и недорогой проверки конструкторских решений. К его преимуществам можно отнести простое и быстрое благодаря 3D-печати получение модели, возможность создания конструкций очень сложной формы, — сообщил «Известиям» эксперт авиации, исполнительный директор агентства «АвиаПорт» Олег Пантелеев.
При этом, по его мнению, подход не отменяет необходимости натурных испытаний конструкций в том облике, в котором изделие будет производиться серийно, но, с другой стороны, предложенная методика может ускорить этапы проектирования и доводки.
Вместе с тем впереди предстоит большая работа по подтверждению достоверности технологии и оценки ее применимости, подчеркнул эксперт.
— Инновационность разработки носит прикладной и методический характер. Это пример, когда существующие подходы, будучи совмещены, порождают качественно новый инструмент. В частности, возможность быстро создавать сложные геометрические формы с заданными свойствами открывает новую главу в экспериментальной механике, где поэтапное тестирование и модификация конструкций превращаются из дорогостоящего исключения в стандартную практику, — рассказал директор НИИ строительных материалов и технологий НИУ МГСУ Алексей Адамович.
Разработка содержит потенциал для доработок и развития. Например, за счет добавления в полимерную матрицу умных материалов. В частности, сенсорных частиц с избирательной чувствительностью к температурным воздействиям или к разным типам нагрузок (таким как сдвиг или кручение). Они позволят не только визуализировать напряжения, но и определять природу нагрузок и отслеживать накопления усталостных повреждений, резюмировал эксперт.
Похожие новости: