КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 17-79-20105

НазваниеРазработка высокоэффективных ударопрочных, вибродемпфирующих и теплозащитных трехслойных конструкций с применением перспективных композиционных материалов.

РуководительСоляев Юрий Олегович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2017 - 06.2020

, продлен на 07.2020 - 06.2022. Карточка проекта продления (ссылка)

Конкурс№24 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-101 - Прочность, живучесть и разрушение материалов и конструкций

Ключевые словатрехслойные конструкции, композиционные материалы, гибридные композиты, оптимальное проектирование, моделирование, ударопрочность, вибродемпфирование, теплозащита, многофункциональные конструкции

Код ГРНТИ30.19.51

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Проект посвящен разработке новых способов конструирования многофункциональных композитных трехслойных сэндвич панелей, применяемых в перспективной транспортной технике авиационного, космического и специального назначения. Рассматривается широкий класс трехслойных конструкций с сотовыми, гофрированными и высокопористыми заполнителями. В качестве конструкционных материалов рассматривается возможность применения гибридных композитов на основе полимерной, металлической и керамической матриц. В частности, рассматриваются композиты с многокомпонентным армированием, в том числе, с ультрадисперсными наполнителями, композиты, армированные вискеризованными волокнами и волокнами с функциональными покрытиями, а также полиматричные композиты. Разрабатываются методики оптимального проектирования трехслойных конструкций, позволяющие выбирать параметры заполнителей и схемы армирования несущих элементов с учетом особенностей строения и эволюции их микроструктуры. При проектировании учитывается расширенный список структурных, конструктивных и технологических параметров, оптимальный выбор которых позволяет добиться синергетических эффектов и получить трехслойные конструкции многофункционального назначения с повышенными характеристиками массовой эффективности, надежности, вибродемпфирования, ударопрочности и теплозащиты. Рассматриваемые классы перспективных композиционных материалов ориентированы на применение в конструкциях различного функционального назначения, работающих в различных температурных условиях (полимерные до ~200-400 С, металлические до ~700-1200 С, керамические до ~1300-2200+ С). Для каждого класса материалов и соответствующих типов трехслойных конструкций должны быть сформулированы основные требования по прочности, теплозащищенности, функциональному назначению, а также параметры нагружения, реализующиеся в условиях эксплуатации. На основе аналитических и численных методов механики деформируемого твердого тела, механики композиционных материалов, строительной механики и теории тепломассообмена должны быть построены алгоритмы проведения процедуры оптимального проектирования исследуемых конструкций. Разрабатываемые алгоритмы должны быть основаны на современных методах теории оптимизации и нелинейного программирования, а также должны включать в себя процедуры топологической оптимизации геометрии внутренних структурных элементов панелей. В процессе исследований должны быть рассмотрены конструкции в виде плоских панелей и панелей в виде элементов оболочек вращения. Для выбранных оптимальных вариантов трехслойных конструкций должны проводиться детализированные численные процедуры верификации, включающие проверку их прочности в условиях ударных, ударно-волновых, вибрационных, акустических и экстремальных тепловых воздействий. По результатам исследований должны быть предложены и протестированы новые подходы к созданию высокоэффективных многофункциональных трехслойных панелей, которые могут применяться в качестве элементов конструкций перспективных высокоскоростных пилотируемых и беспилотных авиационных систем, спускаемых и многоразовых космических аппаратов, спасательных транспортных средств. Актуальность решения рассматриваемой проблемы связана с необходимостью разработки методов эффективного применения современных композиционных материалов в составе конструкций перспективных транспортных средств. Трехслойные панели и оболочки являются одним из основных конструктивных элементов в машиностроительных конструкциях, к которым предъявляются требования по массовой эффективности. Сохранение прочности в условиях высокоинтенсивных динамических механических воздействий и интенсивных тепловых потоков – это одно из основных требований, предъявляемых к перспективным конструкциям машиностроительной отрасли. Поэтому разработка новых многофункциональных трехслойных конструкций с применением гибридных композитов является актуальной фундаментальной задачей, решение которой позволит обеспечить эффективное внедрение в производство новейших результатов исследований в области материаловедения. Научная новизна представляемого исследования заключается в применении расширенного и комплексного подхода 1) при оценке эффективных свойств исследуемых гибридных композитов и 2) при оценке эквивалентных характеристик разрабатываемых трехслойных конструкций. По отношению к классическим моделям строительной механики, механики композитов и теплофизики, в предлагаемом подходе рассматривается детализированная модель структуры материалов, из которых выполняются несущие стенки конструкции и заполнитель. Вводятся соответствующие параметры, характеризующие структуру и состав материалов на микроуровне. В частности, учитывается не только наличие армирующих волокон в волокнистых композитах, но и особенности межфазного строения, наличие покрытий, вискеризации, наличие дополнительных ультрадисперсных наполнителей в матрице, многокомпонентное строение матрицы и т.д. Учитывается эволюция указанных параметров и накопление повреждений в процессе работы конструкции. На макроскопическом уровне, учитываются особенности теплопередачи в проектируемых панелях: учитывается радиационно-кондуктивный теплообмен в пористых заполнителях, учитывается контактное термосопротивление. Проводится анализ возможности использования при проектировании различных теорий пластин и оболочек различного порядка (типа Кирхгофа-Лява, типа Тимошенко и Миндлина-Рейснера) и различных методов оценки эквивалентных характеристик заполнителей. Другой составляющей новизны и особенностью проводимых исследований является учет расширенного спектра параметров внешних воздействий при проведении процедуры оптимального проектирования. Учитываются не только типичные требования по статической прочности, устойчивости, теплозащите и т.д. трехслойных панелей, но и более комплексные требования по ударопрочности, прочности при ударно-волновом нагружении, вибродемпфированию в заданном частотном диапазоне, в том числе, акустическом, потери устойчивости тонких стенок в условиях высокоградиентного нагрева, деградации эквивалентных характеристик панели, деструкции и изменения фазового состава исследуемых материалов в условиях нагрева. В результате формулируемая задача оптимизации обладает расширенным списком варьируемых параметров и сложным набором ограничений. Переменными величинами при оптимизации оказываются не только геометрия элементов панели (толщина слоев и т.д.), но и свойства применяемых композиционных материалов, которые определяются схемой армирования и варьируемыми микроструктурными параметрами. Ограничения формулируются, по возможности, в замкнутой аналитической форме и дополняются численным моделированием для выборочных значений искомых параметров, необходимых для построения поверхности отклика параметра оптимизации. Целевой функцией в большинстве случаев является масса рассматриваемой конструкции. Решения сформулированных задач строятся с использованием современных методов теории оптимизации. Еще одной отличительной особенностью исследований является использование методов топологической оптимизации для поиска оптимальных конфигураций элементов трехслойных конструкций, а также всесторонняя верификация и исследование устойчивости найденных решений задач оптимизации.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта планируется разработать новые методики проектирования высокоэффективных ударопрочных, вибродемпфирующих и теплозащитных трехслойных конструкций, изготовленных с применением гибридных композиционных материалов на основе полимерной, металлической и керамической матриц. Должны быть разработаны базовые принципы конструирования высокоэффективных многофункциональных трехслойных сэндвич панелей, обеспечивающие синергетический эффект повышения эквивалентных характеристик конструкции за счет оптимального выбора состава и структуры применяемых композитов с многокомпонентным и многоуровневым армированием. В частности, должны быть получены следующие основные результаты: 1) Методика и результаты оптимального проектирования вибродемпфирующих, звукопоглощающих и ударопрочных сэндвич панелей с различными типами заполнителей и с несущими элементами, выполненными из гибридных полимерных композиционных материалов, армированных волокнами с функциональными вязкоупругими покрытиями. 2) Методика и результаты оптимального проектирования ударопрочных и термостойких сэндвич панелей с несущими элементами, выполненными из гибридных полимерных композиционных материалов на основе термореактивных, термопластичных или полиматричных связующих, армированных вискеризованными волокнами и/или ультрадисперсными наполнителями. 3) Методика и результаты оптимального проектирования ударопрочных и огнестойких сэндвич панелей с несущими элементами, выполненными из слоистых металлополимерных композиционных материалов, с повышенными показателями усталостной прочности. 4) Методика и результаты оптимального проектирования ударопоглощающих трехслойных панелей с несущими металлокомпозитными слоями (на основе систем Al-Al2O3, Ti-SiC, Al-C и др.) и с металлическим гофрмированным, сотовым или вспененным заполнителем. Учет влияния эволюционирующих межфазных зон контакта матрицы и армирующих включений на жесткость, теплопроводность, уровень остаточных напряжений, статическую прочность и ударопрочность конструкции. 5) Методика и результаты оптимального проектирования многофункциональных несущих теплозащитных панелей с волокнистым теплоизоляционным заполнителем и с несущими слоями, изготавливаемыми с использованием жаропрочных сплавов, упрочненных дисперсными керамическими частицами, нитевидными кристаллами и волокнами. 6) Методика и результаты оптимального проектирования несущих ударопрочных панелей с гофрированным заполнителем, изготавливаемых на основе ультравысокотемпературной керамики, армированной углеродными и карбидокремниевыми волокнами. 7) Методика и результаты оптимального проектирования ударопрочных теплозащитных керамических панелей с заполнителем в виде пенокерамики или с заполнителем в виде волокнистых высокопористых материалов. 8) Методика и результаты оптимального проектирования ударопоглощающих и вибродемпфирующих трехслойных конструкций с заполнителями из вспененных полимерных материалов или метаматериалов с отрицательным коэффициентом Пуассона. 9) Методика и результаты оптимального проектирования интеллектуальных трехслойных элементов конструкций переменной жесткости, изготавливаемых из полимерных гибридных композиционных материалов с активными электромагнитоупругими компонентами. В каждом указанном пункте предполагается исследование влияния параметров геометрии панели (толщины слоев, геометрия и структура заполнителя), уровня нагрева, параметров сложного (комбинированного) внешнего механического нагружения и микроструктуры применяемых материалов на уровень эквивалентных механических и теплофизических параметров. Оптимизация проводится для характерных параметров нагружения типовых элементов конструкций в виде плоских панелей и элементов оболочек вращения. Проводится поиск оптимальных геометрических параметров заполнителей (формы сот, гофра и структура многослойных пористых материалов). Предлагаются концепции перспективных вариантов трехслойных конструкций. Проводится полная численная верификация предлагаемых оптимальных конструкций. Исследуется корректность применяемых аналитических моделей (в частности, моделей пластин и оболочек различного порядка) и методов проектирования путем сопоставления аналитических и детализированных численных расчетов. Перечисленные планируемые результаты проекта соответствуют актуальным направлениям исследований, которые проводятся в настоящее время ведущими научными группами в разных странах мира. Разработка каждого из перечисленных классов трехслойных конструкций обеспечит прорыв в своей области, и является одним из определяющих факторов для создания новых высокоэффективных авиационных, космических, транспортных, специальных и др. конструкций. Построение аналитических моделей и отработка методов проектирования, учитывающих широкий спектр внешних воздействий и внутренних структурных параметров материалов, позволит создать основу для эффективного практического использования новых композитов в инженерной практике проектирования новых конструкций.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---