Пермские ученые нашли факторы, влияющие на разрушение деталей при жесткой посадке самолета

Статья опубликована в журнале Springer Nature. Исследование выполнено в рамках гранта РНФ.

Композиты – это материалы, состоящие из двух или более компонентов. Один из примеров – полимерные углепластики, популярные в авиационной и аэрокосмической отрасли. Их применяют для изготовления шасси, лопастей винтов, различных типов обшивки и так далее. Полимерную основу укрепляют углеродным волокном, чтобы повысить прочность и устойчивость к различным нагрузкам. Но несмотря на то, что она становится более надежной, она все еще подвержена рискам разрушения.

Типичный вид повреждения слоистых композитов при ударе – растрескивание. Оно считается критичным для углепластиков, ведь распространяется вдоль волокон. Это приводит к их разрыву и расслоению материала под сильным напряжением. Последствием может стать разрушение ответственной конструкции и прилегающих к ней деталей, а значит, появляется риск выхода из строя всего механизма, например, авиадвигателя.

Возможные процессы деформации композитов изучают и прогнозируют, чтобы оценить ресурс конструкций. Материалы проверяют в испытаниях на прочность современными методами, такими как акустическая эмиссия и корреляция цифровых изображений. Первый способ позволяет с помощью датчиков фиксировать сигналы упругих волн, возникающих при повреждениях. Второй обнаруживает развитие структурных дефектов благодаря высокоточным камерам. Комплексные исследования полимерных углепластиков после ударов с разной энергией на этих установках раньше не проводились.

Ученые ПНИПУ изучили, как такой материал реагирует на предварительные воздействия. Для этого образцы в виде коротких балок размером 6 × 12 × 42 мм ударялись с применением падающего груза с энергией 1, 3, 5 и 6 Дж (Джоуля). Затем проверялось, как это влияет на способность слоев композита держаться вместе и не смещаться относительно друг друга. К объектам исследования прикрепили датчики, определяющие место и характер нанесенного урона по звуковым волнам.

– Мы выявили, что чем выше предварительная нагрузка, тем больше сигналов выдают анализаторы и тем серьезнее ущерб. Типы повреждений «звучат» на определенных частотах. Низкие (50-130 кГц) показали, что материал начал трескаться внутри, средние (270-320 кГц) – что слои отделились друг от друга, а высокие (670-750 кГц) – что волокна композита разорвались. Касаемо прочности материала можно сказать, что удары с энергией 1 и 3 Джоуля (Дж) на нее практически не влияют. А вот 5 Дж становится «точкой невозврата», после которой устойчивость к сдвигу слоев падает на 50%, что критично для углепластиков, – комментирует Екатерина Чеботарева, младший научный сотрудник Центра экспериментальной механики ПНИПУ.

Все это говорит о том, что полимерные композиты могут сохранить жесткость, несущую способность и устойчивость к сдвигу слоев при невысоких ударных воздействиях. При более сильных конструкция становится уязвимой и с большей вероятностью деформируется в процессе эксплуатации.

Исследование ученых ПНИПУ дает более полную информацию о поведении материалов ответственных конструкций разных отраслей промышленности. Учет этих данных поможет более точно спроектировать изделия из полимерных углепластиков и тем самым снизить риск их разрушения в важный момент.

ПНИПУ

1017 статей

Пермский национальный исследовательский политехнический университет (национальный исследовательский, прошлые названия: Пермский политехнический институт, Пермский государственный технический университет) — технический ВУЗ Российской Федерации. Основан в 1960 году как Пермский политехнический институт (ППИ), в результате объединения Пермского горного института (организованного в 1953 году) с Вечерним машиностроительным институтом. В 1992 году ППИ в числе первых политехнических вузов России получил статус технического университета.

Показать больше