В России разработали миниатюрную разрывную машину для испытаний композитных материалов, которая позволяет одновременно растягивать и сжимать образцы, а также проводить их рентгеновское сканирование в процессе нагрузки. Это дает возможность в деталях отслеживать зарождение и развитие дефектов в структуре материала. Для исследований используются микроскопические фрагменты, что упрощает подготовку образцов и ускоряет эксперименты. Технология поможет при создании более легких авиационных и космических конструкций без потери прочности, а также уже проходит апробацию в прикладных проектах. Вместе с тем, отмечают опрошенные «Известиями» эксперты, поведение миниатюрных образцов не всегда полностью отражает свойства крупных конструкций. Кроме того, для расшифровки 4D-данных понадобятся нейросетевые алгоритмы. Подробности — в материале редакции.
Как 4D-сканер выявляет дефекты с историей
Инженеры Московского авиационного института предложили новый метод испытаний композитных материалов, которые работают под большими нагрузками. Инновация позволяет в реальном времени отслеживать изменение внутренней структуры и фиксировать полную историю развития дефектов. Внедрение разработки поможет создавать легкие и прочные самолеты, ракеты, гоночные болиды и прочие конструкции, предназначенные для экстремальных условий.
Как объяснили авторы проекта, в основе инновации — миниатюрная разрывная машина. Ее размещают на вращающейся платформе в камере промышленного томографа — аппарата, который создает детальные изображения внутреннего строения различных объектов.
— В устройстве образец подвергается растяжению, сжатию или изгибу. В это время рентгеновские лучи сканируют его внутреннюю структуру. Это позволяет получить объемную визуализацию — мы видим рост расслоения или трещины внутри образца в трехмерном формате с течением времени — получается 4D-сканирование. Это как сделать рентген кости спортсмену прямо во время забега, — рассказал «Известиям» ведущий инженер Центра композиционных конструкций МАИ Константин Шрамко.
Раньше, чтобы понять, насколько прочен материал, его нагружали или растягивали вплоть до его разрушения, после чего измеряли параметры. Например, производили микроскопию среза. Однако эти исследования показывали лишь финальную стадию разрушения. Предложенное же решение дает возможность перейти от статических «снимков» к наблюдению процесса в реальном времени, уточнил он.
— Новый метод фиксирует расслоения, растрескивания или отхождения волокон задолго до того, как дефект прогрессирует. При этом всю историю повреждений — от первой нагрузки до финального разрушения — исследуют на единственном экземпляре. Это исключает погрешности, связанные с разницей образцов, — пояснил ученый.
Как вовремя предотвращать аварии
По словам Константина Шрамко, устройство выполнено из радиопрозрачных материалов, они не мешают сканированию и не искажают результат. Полученные данные можно сразу загружать в инженерные программы, что позволяет сверять виртуальные расчеты с реальностью и делать цифровые модели максимально точными. При тестировании используют микроскопические дозы материала, которые можно получить из готовых деталей. Это дает возможность проверить реальные изделия непосредственно в процессе их эксплуатации.
В машиностроении разработка реализует подход, который в науках о человеке называют «персонализированной медициной», и дает возможность получить «диагноз» для конкретных узлов. Например, можно взять образец из крыла воздушного судна после тысяч часов налета и понять, безопасно ли продлить ему срок службы.
— Наша цель — не наблюдать за разрушением материала, а научиться вовремя его предотвращать. Когда инженер видит, как и где зарождается трещина, он может изменить конструкцию, чтобы ей просто негде было появиться. Это шаг к технологиям будущего, — добавил Константин Шрамко.
По его словам, в отличие от аналогов, разработка компактна и может работать на обычном промышленном предприятии. Сейчас методика проходит апробацию в реальных проектах.
— Решение ученых МАИ закрывает одно из «белых пятен» материаловедения — возможность наблюдать за механикой разрушения, не разрушая картину эксперимента. Вероятно, это даст импульс проектированию новых высокотехнологичных материалов. Например, углепластиков, металломатричных и керамоматричных композитов для горячих зон двигателей. При этом конструкторы смогут осознанно управлять процессом, а не действовать методом проб и ошибок, — объяснил «Известиям» эксперт Национальной технологической инициативы по новым материалам и технологиям Евгений Вишневский.
Отдельная выгода — для аддитивного производства, поскольку методика позволит понять, как при 3D-печати поры и непроплавы влияют на усталостное разрушение детали, добавил он.
Вместе с тем важно учитывать, что миниатюрные образцы не всегда репрезентативны для поведения крупных конструкций. Кроме того, из-за ограничений методов томографии высокоскоростные процессы, включая ударное разрушение, сложно фиксировать в полном объеме. Наконец, 4D-данные представляют собой терабайты информации, для обработки которых потребуется разработка новых нейросетевых алгоритмов.
Перспективным направлением развития методики эксперты называют ее интеграцию с технологиями цифровых двойников и ИИ-аналитики.
— Инновация позволит исследовать взаимодействие матрицы композита со связующим, чтобы точнее определить, какие волокна и какой их процент необходимы для достижения нужной прочности, — прокомментировал заведующий сектором Испытательной лаборатории прочности и надежности конструкций летательных аппаратов Института авиационной техники и технологий Казанского национального исследовательского технологического университета им. А.Н. Туполева — КАИ Сергей Холмогоров.
Однако в авиации прочностные испытания проводят на макроуровне, то есть материал рассматривают как единое целое. По его мнению, методика, скорее, востребована в сфере научных исследований и проектирования.
— Долговременные испытания (к примеру, исследования ползучести) методика не заменит, но это не умаляет ее ценности. Визуализация микроструктуры под нагрузкой поможет настраивать модели механики композитов, сравнивая экспериментальные и расчетные деформации, — высказал мнение доцент кафедры конструкции и проектирования летательных аппаратов Самарского университета им. С.П. Королева, старший научный сотрудник научного центра мирового уровня «Интеллектуальные беспилотные авиационные системы» Евгений Куркин.
Тонкая настройка, добавил он, повысит точность предсказания несущей способности изделий, а значит снизит необходимость в чрезмерном запасе прочности конструкций. В результате они станут легче и эффективнее, что скажется на себестоимости эксплуатации техники.
Как вы думаете, заменят ли цифровые модели и 4D-сканирование классические испытания на прочность?