Пермские ученые улучшили производство емкостей для хранения опасных веществ
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». Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования России.
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 так далее). 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.
Telegram 
Дзен 
VK Ученые нашли убедительное свидетельство того, что Большое Магелланово Облако — одна из ближайших к нам галактик — впервые приближается к Млечному Пути. Это открытие меняет представления о будущем нашей Галактики — от орбит спутников до распределения окружающего газа.
Во времена Екатерины II один из немецких колонистов в России мутировал, из-за чего все его потомки получали раннюю болезнь Альцгеймера. Теперь среди них появился первый, кого она не тронула, — по мнению ученых, благодаря жаре, которой он должен был подвергаться на работе.
Пока одни исследователи, включая российских, отрицают само наличие угрозы микропластика для мозга, другие продолжают собирать данные по этому вопросу. Более того: они даже предложили способ снизить угрозу для мозга за счет фильтрации крови от частиц пластика.
Генетика интеллекта сложна и связана с разными психоневрологическими состояниями. Оказалось, то, что повышает эрудицию, может ухудшать способность решать творческие задачи, — и наоборот. Причем паттерны этих связей уникальны для каждого диагноза.
Ученые давно сделали вывод о том, что в поздней Античности монеты перестали представлять собой цену как валюта, однако не было понятно когда именно это произошло. Новое исследование погребения римского воина из бельгийского форта Оденбург показало, в какой момент монеты стали цениться просто весом металла в кошельке.
Полифенолы и другие соединения заваренного кофе в лабораторной модели связывались с ядерным рецептором NR4A1, который участвует в ответе клеток на стресс, воспаление и повреждение. Вещества меняли активность рецептора и тормозили рост опухолевых клеток, а при подавлении рецептора эффект слабел. Ученые предложили молекулярное объяснение части полезных эффектов кофе, но не проверяли их у людей.
В последнее время пуски с российских северных космодромов осуществляют без предварительного уведомления, чего не было в прошлом. Вероятно, дело в недавно упомянутых главой «Роскосмоса» атаках на Плесецк во время пуска. Сегодняшний запуск обеспечил вывод на орбиту космических аппаратов военного назначения.
Когда международная экспедиционная группа, исследующая море Уэдделла в Антарктиде на борту ледокола «Поларштерн», попыталась укрыться от шторма, ученые и экипаж судна удивились внезапному появлению острова, не обозначенного ни на одной морской карте.
Окаменелые остатки рептилии возрастом 289 миллионов лет сохранили полное анатомическое устройство грудной клетки ранних покорителей суши. Благодаря нетронутым хрящам исследователи реконструировали механику первого полноценного реберного дыхания. Наличие в тканях оригинальных белков подтвердило, что сложные органические молекулы способны сохраняться в палеонтологической летописи почти на 100 миллионов лет дольше, чем считалось.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно