В авиационной промышленности всегда стремятся облегчить вес конструкций и самолета в целом, чтобы сэкономить топливо и увеличить скорость и дальность полета. При этом важно сохранить высокие механические характеристики этих деталей. Часто для производства корпусов, отсеков и обшивки воздушного судна используют сэндвич-панели. Они состоят из двух прочных пластин и слоя пористого заполнителя посередине. Разработка и исследование новых структур заполнителя расширяет сферу их применения. Ученые Пермского Политеха разработали уникальную программу для быстрого проектирования оптимальных сэндвич-структур. Она позволяет подбирать параметры заполнителя и производить подготовку таких конструкций к 3D-печати, что экономит время, средства и материалы.
Разработка Пермского Политеха ускорит и улучшит производство деталей для снижения веса самолета / © Getty images
На разработку выдан патент. Сэндвич-панели применяются в авиации для отдельных элементов оперения и механизации воздушного судна, обшивки и пола в кабинах самолета. Они обладают высокими показателями удельной жесткости и прочности, которые достигаются благодаря рациональному сочетанию материалов. Тонкие и крепкие несущие слои принимают на себя основной удар (внешнюю нагрузку, атмосферное давление). А легкий пористый заполнитель повышает сопротивление нагрузкам и обеспечивает дополнительный функционал, например, звукопоглощение.
Сегодня широко применяются структуры с сотовым заполнением. Однако с учетом развития аддитивных технологий альтернативой им могут стать решетчатые (ячеистые) структуры со сложной геометрией. Такие решетки основаны на элементарной ячейке определенного дизайна. Это повторяющаяся единица, которая многократно копируется в нескольких направлениях для создания цельной структуры. Для их производства можно использовать аддитивные технологии, что позволит создавать еще более легкие и прочные детали.
Ячеистые заполнители бывают разных типов и свойств, и чтобы изготовить необходимую сэндвич-конструкцию для определенной цели, важно изначально создать ее численную модель. Моделирование поможет предварительно оценить ее особенности и применимость к конкретной задаче. В настоящее время комплексных систем для создания таких промышленных структур нет.
«Мы разработали программу ЭВМ, предназначенную для проектирования сэндвич-структур с различной геометрией ячеистого заполнителя. Численный анализ помогает изучить их свойства при изменении геометрических параметров, таких как тип и толщина стенки ячейки. Так можно оптимизировать конструкцию и оценить, как меняются механические характеристики при использовании различных типов заполнителей и материалов для них», – объясняет кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Динамика и прочность машин» ПНИПУ Михаил Ташкинов.
Ученый отмечает, что в разработанной системе можно управлять поверхностью объекта, вершинами и гранями, которые определяют форму 3D-ячеек. Есть возможность добавлять твердый заполнитель в пористую фазу структуры, а также создавать условия для разных видов механических нагрузок и определять таким образом поведение и свойства конструкции. В качестве входных данных для программы используются размеры структуры, толщина пластин оболочки, а также геометрия ячейки.
«В программу встроен автоматизированный алгоритм, который создает файлы для расчета и последующей 3D-печати объектов. С помощью разработанной системы можно быстро и эффективно моделировать сэндвич-структуры с различными типами заполнителя и изменять их параметры для улучшения свойств конечного продукта, учитывая в том числе материал, из которого они будут произведены», – поделился Михаил Ташкинов.
Разработанная программа ученых Пермского Политеха – это уникальная технология для проектирования сэндвич-конструкций с ячеистым заполнителем. С ней возможна разработка и исследование новых видов и форм промышленных структур заполнителя для расширения круга применения в авиационной и аэрокосмической отрасли. Это позволит создавать более легкие, но прочные изделия.
