Разработка новых полимерных волокнистых композитных материалов с управляемой нелинейностью механического поведения и методов проектирования из них элементов турбовентиляторных двигателей

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 проекта 18-19-00377

НазваниеРазработка новых полимерных волокнистых композитных материалов с управляемой нелинейностью механического поведения и методов проектирования из них элементов турбовентиляторных двигателей

Руководитель Сапожников Сергей Борисович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)" , Челябинская обл

Конкурс №28 - Конкурс 2018 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

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

Ключевые слова Турбовентиляторный двигатель, рабочая лопатка вентилятора, корпус вентилятора, композиты, нелинейное механическое поведение, конструкционная прочность, численное моделирование, полноразмерные модели

Код ГРНТИ30.19.51

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Одной из современных мировых тенденций при разработке авиационных двигателей является замена металлических сплавов на композитные материалы, которые позволяют добиться значительного снижения веса изделия и повышения эксплуатационных характеристик. Для авиадвигателестроения особый интерес предстваляет использование полимерных композитных материалов при изготовлении рабочих лопаток и защитных кожухов турбореактивных двухконтурных двигателей, поскольку это способствует снижению массы не только самих элементов, но и сопрягаемых деталей за счет снижения передаваемых инерционных и динамических нагрузок. В настоящее время в России проводится значительный объем работ, связанных с разработкой перспективных турбовентиляторных двигателей ПД-14 и ПД-35. Существенная часть этих работ посвящена внедрению в конструкцию элементов вентилятора из композитных материалов. Следует отметить, что создание высоконагруженных деталей авиационных двигателей из полимерных композитных материалов является комплексной проблемой и требует не только разработки новых материалов и технологий, но и соотвествующего расчетного инструментария для анализа прочности и работоспособности этих конструкций при эксплуатационных и аварийных нагрузках. Широкое распространение при проектировании и расчетах изделий из полимерных композитных материалов получили численные методы решения задач механики деформируемого твердого тела, например, метод конечных элементов. Однако, для получения корректных результатов требуется с особым вниманием подходить к построению численных расчетных моделей, которые являются комбинацией геометрической модели изделия и модели деформирования и разрушения материала. Поэтому разработка методик создания расчетных моделей и их верификации является исключительно важной задачей. Мировым трендом в данной области явялется постепенный переход от макроуровневого (гомогенного) подхода, когда композитный материал представляетя в виде сплошной среды с анизотропными нелинейными свойствами, к мезоуровневому (yarn-level и ply-level), в котором в явном виде учитывается слоистость материала, наличие волокон и матрицы и т.д. Это позволяет снизить количество идентифицируемых параметров в моделях деформирования и разрушения материала за счет учета геометрических особенностей композита. Данный проект направлен на решение проблемы повышения доли волокнистых полимерных композитных материалов в конструкции современных отечественных турбореактивных двухконтурных двигателей за счет разработки новых высокоэффективных волокнистых композитов, совершенствования методов расчетной оценки механического поведения элементов двигателей из таких материалов. Взаимодействие членов научного коллектива с подразделениями "Объединенной двигателестроительной корпорации" показало, что разработка новых высокоэффективных полимерных композитных материалов и новых методов расчетов конструкций, изготовленных из таких материалов, основанных на применении мезоуровневых (ply level) численных моделей, представляет существенный интерес для предприятий, занимающихся внедрением композитов в конструкцию вентилятора (рабочая лопатка вентилятора, лопатка спрямляющего аппарата, защитный кожух и т.д.) турбовентиляторных двигателей для гражданской авиации, таких как АО "ОДК-Авиадвигатель" и ПАО "ОДК-Сатурн". Это явялется косвенным подтверждением актуальности проблемы. Основными задачами проекта являются разработка новых высокоэффективных полимерных композитных материалов для использования их в высоконагруженных отвественных элементах вентиляторов (рабочая лопатка, защитный кожух) турбовентиляторных двигателей, и новых методов расчетов таких конструкций, основанных на применении мезоуровневых (ply level) численных моделей: 1) разработка композитов с заданной степенью механической нелинейности (за счет применения нескольких типов армирующих волокон и/или за счет предварительного искривления пучков волокон) и обладающих повышенной стойкостью к ударному воздействию при сохранении высокой несущей способности (защитный кожух и рабочая лопатка вентилятора); 2) разработка новых методов расчета толстостенных конструкций из композитных материалов (замковая часть рабочей лопатки вентилятора и лопатки спрямляющего аппарата), позволяющих учитывать межслойные сдвиги и расслоения; 3) разработка методик расчетной оценки усталостной прочности композитных изделий сложной формы; 4) разработка методических основ расчетной оценки прочности и жесткости крупногабаритных изделий из волокнистых композитов при ударном воздействии (защитный кожух и рабочая лопатка вентилятора). Для решения поставленных задач планируется применять подходы, обладающие сразу несколькими элементами научной новизны: 1. Будут разработаны новые перспективные подходы к созданию композитных материалов с заданной нелинейностью механического поведения. 2. Будут разработаны новые мезоуровневые (ply-level) модели высоконелинейных и стандартных композитов (в том числе, трехмерно армированных) с явными «интерфейсными» слоями. «Интерфейсные» слои в отличие от разрушаемых (tiebreak) контактов и когезионных (CZM) элементов позволяют учитывать такие свойства материала, как упругость, вязкоупругость, пластичность, накопление повреждений, усталостные характеристики. Это существенно расширяет возможности предсказательного моделирования ПКМ. 3. Будут разработаны расчетно-экспериментальные методики идентификации и верификации параметров мезоуроневых численных моделей ПКМ для случаев квазистатического и циклического нагружения. 4. В программном комплексе LS-DYNA будут разработаны и апробированы комбинированные (мезо- и макроуровневые) расчетные модели для оценки механического поведения полноразмерных конструкций из новых композитных материалов. 5. Будут разработаны и верифицированы новые методы и модели для расчетов конструкций из композитов с трехмерным армированием, работающих в условиях статического и динамического нагруждения.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Сапожников С.Б., Семашко М.Ю. Designing the structure of a pressure vessel wall made of a layered composite material with nonproportional changes in stress components Mechanics of Composite Materials, Vol. 54, No. 5, p. 567-576. (год публикации - 2018)
10.1007/s11029-018-9765-1

2. Сапожников С.Б., Херувимов А.В. Разработка гибридных тонкослойных композитов с наивысшей конструкционной прочностью Композиты и наноструктуры, Volume 10, Issue 3(39), c. 99-106. (год публикации - 2018)

3. Сапожников С.Б., Шаблей А.А. Numerical evaluation of the microdamage kinetics of cross-ply gfrps based on stochastic micro-meso modeling ECCM18 - Proceeding of the 18th European Conference on Composite Materials, pp. 1-8 (год публикации - 2018)

4. Сапожников С.Б., Херувимов А.В., Хоружий А.С. Управление нелинейностью деформирования композита с помощью локального искривления нитей Вестник ЮУрГУ. Серия: Математика. Механика. Физика, Том 11, №1 (год публикации - 2019)

5. Сапожников С.Б., Херувимов А.В., Безмельницын А.В. A new method for design of pseudoplastic thin-layer unidirectional hybrid coposites based on the model of dry bundle Mechanics of Composite Materials (год публикации - 2019)

6. Жихарев М.В., Сапожников С.Б., Кудрявцев О.А., Жихарев В.М. Effect of tensile preloading on the ballistic properties of GFRP Composites Part B: Engineering (год публикации - 2019)

7. Сапожников С.Б., Шаблей А.А., Игнатова А.В. Predicting the kinetics of hysteretic self-heating of GFRPs under highfrequency cyclic loading Composite Structures, Volume 226, Article Number 111214 (год публикации - 2019)
10.1016/j.compstruct.2019.111214

8. Кудрявцев О.А., Жихарев М.В., Оливенко Н.А. Creation and verification of computational models for analysis of the mechanical behaviour of jet engines composite components under high-velocity impact: main problems and basic recommendations PNRPU Mechanics Bulletin (год публикации - 2019)
10.15593/perm.mech/2019.4.07

9. Сапожников С.Б., Сволфс Е., Ломов С.В. Mode I and II interlaminar critical energy release rates in all-carbon interlayer unidirectional fibrehybrids based on ultrahigh-modulus and high-strength fibres Composite Structures (год публикации - 2020)

10. Жихарев М.В., Кудрявцев О.А. Экспериментальное исследование поведения пластины из композитного материала при наклонных ударах XXIV Туполевские чтения (школа молодых ученых): Международная молодёжная научная конференция, 7–8 ноября 2019 года: Материалы конференции. Сборник докладов. – В 6 т., Т. 1., с. 141-146 (год публикации - 2019)

11. Лешков Е.В. Исследование нелинейного деформирования тканых стеклопластиков XXIV Туполевские чтения (школа молодых ученых): Международная молодёжная научная конференция, 7–8 ноября 2019 года: Материалы конференции. Сборник докладов. – В 6 т., Т.1, с. 153-159 (год публикации - 2019)

12. Кудрявцев О.А., Оливенко Н.А., Жихарев М.В. Разработка и верификация численных моделей для анализа механического поведения композитных элементов при высокоскоростном ударе XXIV Туполевские чтения (школа молодых ученых): Международная молодёжная научная конференция, 7–8 ноября 2019 года: Материалы конференции. Сборник докладов. – В 6 т., Т.1, с. 146-153 (год публикации - 2019)

13. Жихарев М.В., Кудрявцев О.А., Павловская М.С Experimental and numerical study of the behavior of a Glass Fiber Reinforced Plastic plate under oblique impact Journal of Composite Materials (год публикации - 2020)
10.1177/0021998320965663

14. Сапожников С.Б., Сволфс Е., Ломов С.В. Pseudo-ductile unidirectional high modulus/high strength carbon fibre hybrids using conventional ply thickness prepregs Composites Part B: Engineering, Volume 198, article number 108213 (год публикации - 2020)
10.1016/j.compositesb.2020.108213

15. Лешков Е.В., Сапожников С.Б. Modeling the nonlinear deformation and damage of carbon-aramid fabric composites in tension Mechanics of Composite Materials, Vol. 56, No. 5, pp. 591-600 (год публикации - 2020)
10.1007/s11029-020-09906-1

16. Гусейнов К., Сапожников С.Б., Кудрвцев О.А. Effectiveness of 2-D and 3-D modelling of dovetail joint of composite fan blade for choosing rational reinforcement schemes PNRPU Mechanics Bulletin (год публикации - 2021)

Публикации