Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В первый год выполнения проекта проведена параметрическая параметрическая оптимизация соединения типа «ухо-вилка» - включающего проушину из короткоармированного композиционного материала, и закладной элемент - втулку, изготовленную по технологии селективного лазерного сплавления. На основе проведенной параметрической оптимизации размеров проушины определены наилучшие размеры закладного элемента, минимизирующего вес изделия, и обеспечивающего требуемую прочность конструкции при различных вариантах шероховатости поверхности. Построены плоские и твердотельные геометрические и конечно-элементные модели узла. В качестве проектных переменных выступают ширина перемычки проушины и толщина втулки. Двухмерная параметрическая модель построена в системе ANSYS Mechanical средствами языка APDL и используется для проведения проектировочных расчетов, трёхмерная параметрическая модель построена в ANSYS DesignModeler, используемая для поверочных расчетов с учетом анизотропии короткоармированного композиционного материала тела проушины. Для учёта пластичности материалов изделия и втулки использованы билинейные модели упрочнения материалов проушины (полиамид-6, армированный короткими угольными волокнами) и втулки (изготовленной из алюминиевого или титанового сплавов). Это позволило повысить точность описания поведения материалов вблизи областей концентрации напряжений. В качестве основной модели контактного взаимодействия использована модель когезионных элементов CZM (cohesive zone model), рассмотренная в двух постановках – в парах параметров предельных напряжений и удельных энергий деформации и в парах предельных напряжений и перемещений при раскрытии контакта. В дополнение к модели CZM для проверки корректности её работы в крайних случаях адгезии использованы модели обеспечения неразрывного контакта Bonded и модели односторонних контактов с трением и без трения Friction и Frictionless. Проведён обзор изученных ранее случаев адгезии между металлами и термопластами и определены границы исследуемых параметров модели когезионного взаимодействия. Проведены расчеты напряженно-деформированного состояния типа «ухо-вилка» с учетом нелинейного поведения материалов проушины и втулки и нелинейного поведения контактов между проушиной и втулкой, а также между втулкой и осью. Проведен анализ высвобождения энергии адгезионного взаимодействия между проушиной и втулкой вдоль поверхности контакта при различных типах нагрузок по первой (нормальной) и второй (касательной) модам разрушения при различном уровне прилагаемых усилий. Показано, что увеличение прочности контакта закладного элемента с телом детали приводит к уменьшению массы узлового соединения, причем наибольшее на минимизацию массы оказывает касательное напряжение, поскольку он имеет определяющее влияние в начальной стадии отделения втулки от детали. В случае когда максимальное касательное напряжение велико, начинает влиять максимальное напряжение по первой (нормальной) моде. Практическая значимость оценки наиболее значимого параметра модели адгезионного взаимодействия на несущую способности соединения заключается в возможности использования оребрения поверхности втулки для повышения весовой эффективности узлового содинения. На основе параметрической оптимизации, учитывающей различные типы контактного взаимодействия, определены размеры закладных элементов. Для параметрической оптимизации использованы метод последовательного квадратичного программирования с уточнением градиентным методом и метод дифференциальной эволюции. Для сглаживания функции ограничений по напряжениям использована p-норма. Проведено экспериментальное исследование несущей способности конструкции аэрокосмического назначения с закладными элементами с различной величиной шероховатости их поверхности. Экспериментальное исследование проведено на примере проушин двух типоразмеров. В качестве материала проушины выбран полиамид-6, армированный 30% коротких угольных волокон – конструкционный материал, с высокой весовой эффективностью и технологической возможностью литья на термопласт автоматах при температурах от 220 до 270 °С. В качестве материла закладных элементов выбран титан ВТ6, широко используемый для печати методом селективного лазерного сплавления и способный воспринимать большие контактные напряжения. Для подготовки закладных элементов к 3d печати в CAE-системе Simufact Additive проведено конечно-элементное моделирование процесса селективного лазерного сплавления. Согласно расчёту деформации от действия термических напряжений составляют 0.03-0.06 мм, что говорит о правильности выбранных технологических режимов. Изготовление титановых закладных элементов пресс-формы производилось на аддитивной установке 3DLAM Mid. Управление технологическими параметрами выполнено с использованием программного обеспечения 3DLAM Slicer. Методом селективного лазерного сплавления изготовлены более 50 закладных втулок и более 40 плоских обрацзов трех шерховатостей, обеспеченных исходным процессом селективного лазерного сплавления трех видов шероховатостей, обеспеченных процессом печати, пескоструйной обработкой и виброгалтовкой. Проведенное измерения шероховатости поверхности образцов каждого типа показало, что применяемая технология печати дает поверхность с шероховатостью Ra = 10 мкм, пескоструйная обработка снижает шероховатость до 8.8 мкм, а галтовка обеспечивает поверхность с шероховатостью 2.7 мкм. Изготовлена оснастка и изготовлены литьем под давлением 35 проливок, каждая из которых содержала проушины двух типоразмеров и образцы-свидетели. Несущая способность проушин с различными закладными элементами оценена путем их испытаний на растяжение на сервогидравлической машине Shimadzu EHF-E. Испытано 60 проушин двух типоразмеров и пятью видов втулок, поверхность которых получена галтовкой, пескоструйной обработкой, селективным лазерным сплавлением, втулки с оребрением и проушина без втулки. Высота гребня оребрения проушины составляет 0.2 мм. Экспериментально подтверждено, что увеличение шероховатости закладного элемента приводит к росту несущей способности проушин. Так, по сравнению с поверхностью, полученной виброгалтовкой, исходная поверхность SLS печати дает несущую способность узла на 11% выше для типоразмера S и на 3% для типоразмера М. Показано, что проушина типоразмера S, спроектированная с учетом адгезионного соединения имеет весовую эффективность на 11.7% выше чем проушина типоразмера М. Сравнение несущей способности прошин с втулкой и референтных проушин без втулки с тем же внутренним и внешними диаметрами показывает, что наличие втулки со слабой адгезией может приводить к снижению несущей способности узла по сравнению с узлом без закладного элемента за счет сокращения площади поперченого сечения пластика. Предположение о важности увеличения максимальных касательных напряжений в контакте подверждено тем, что проушины со втулкой с оребрением обладают несущей способностью на 11% для типоразмера S и на % для типоразмера M по сравнению с проушинами со втулкой той же шероховатости, определяемой SLS процессом печати. По сравнению с проушинами без втулок использование втулок с оребрением дает увеличение несущей способности на 20% для типоразмера S и на 11% для типоразмера М. Показано, что применение пескоструйной обработки может на 45% снизить усилие пластика на сдвиг, а применение виброгалтовки может снизить сдвиговое усилие в контакте на 80%. Проведено уточнение математических моделей на основе результатов испытаний образов свидетелей и проведено сравнение прочности конструкций с закладными элементами из короткоармированных композиционных материалов полученных экспериментально и расчетным путем. Сравнение полей критерия прочности Цая Хилла с местами разрушения образцов показывает корректное предсказание мест инициации разрушений.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Во второй год выполнения проекта разработан метод многофазной топологической оптимизации металлических закладных элементов в окружении изотропного материала и определен наилучший типа решетчатых структур на границе закладных элементов. Для определения зависимости параметров упругости двухфазного материала решётчатой структуры от объемной доли металлической решетки выполнено сравнение перемещений при деформации представительного объёма решетчатой структуры и представительного объема из гомогенного материала. Рассмотрены решетчатые структуры октаэдрической и гироидной формы с объемными долями металла 25%, 50% и 75% заполнения сплавом титана ВТ-6 окружения из армированного 30% коротких угольных волокон полиамида-6. Найдены коэффициенты полинома, минимизирующие квадратичное отклонение между кривыми модулей упругости решетчатых и гомогенных представительных объемов. На примере решения простейших типовых задач растяжения пластин с использованием решателя метода скользящих асимптот в системе Matlab проведен анализ чувствительности целевой функции и функций ограничений по отношению к изменению проектных переменных. В качестве целевой функции выбрана энергия деформаций. В качестве функции ограничений выбран объём металла, что позволяет регулировать размеры закладного элемента и ограничивать использование металла вдали от мест передачи сосредоточенной силы. Для обновления проектных переменных использован метод выпуклой линеаризации (Convex Linearization, CONLIN). На каждой итерации решается аналитическая выпуклая подзадача оптимизации относительно двойственной проектной переменной (множителя Лагранжа). Основная задача, которая решается в рамках этого вопроса – преобразование полученного распределения топологической плотности в трехмерную геометрическую модель решетчатого закладного элемента. Разработаны алгоритмы бимодульной топологической оптимизации в изотропной постановке и реализованы в программном обеспечении, работающем в связке с CAE системой Ansys Workbench. На основе разработанной методики бимодульной топологической оптимизации в изотропной постановке спроектирован закладной элемент из сплава ВТ6 для увеличения несущей способности проушин из армированного 30% массы коротких угольных волокон полиамида-6. Разработанная программа BimodTopo позволила определить распределение топологической плотности материала закладного элемента с учетом нелинейности контактного взаимодействия. Среди решетчатых структур рассмотрено четыре типа решеток: кубическая, алмазная, октаэдральная, двойная пирамида. Выбраны решетки октаэдрической формы ввиду большей анизотропии их свойств в плоскости и поперек плоскости выращивания структуры. Кроме того, такой тип решетки проливается в широком диапазоне объемных долей материала в процессе производства тела детали методом литья под давлением. Проведено проектирование шести типов закладных элементов - для двух типоразмеров проушин по три размера элемента решетки. Методика расчета напряженно-деформированного состояния закладного элемента с решётчатыми структурами и окружающего полимерного композиционного материала основана на конечно-элементом анализе полной геометрической модели элемента конструкции с закладной втулкой. STL модель закладного элемента вычиталась из тела детали, после чего проводился расчет литья под давлением, позволяющий определить проливаемость решетки и ориентацию армирующих волокон материала детали. С использованием модели короткоармированного композиционного материала проведен поверочный расчет напряженно-деформированного состояния конструкции, определена ее жесткость, а также критерии прочности закладного элемента (эквивалентные напряжения по Мизесу) и тела детали (Цая-Хилла). В программном обеспечении 3DLAM slicer 2.11 рассмотрено несколько способов расположения закладных элементов с решётчатыми структурами на платформе для печати диаметром 100 мм. Проведена печать 18 заготовок закладных элементов с решётчатыми структурами методом селективного лазерного сплавления из сплава ВТ6 на аддитивной установке 3DLAM Mid компании 3DLAM. После печати заготовки были подвержены термообработке для снятия внутренних напряжений, возникающих в процессе печати. Отделение заготовок от платформы построения осуществлялось с использованием электроэрозионной обработки. После отделения от платформы построения проведена механическая обработка образцов для доведения посадочных размеров до требуемой для литья в пресс-форме точности. Изготовлено методом литья под давлением более 12 отливок, содержащих проушины размера M и S и образцы свидетели 1BA по стандарту ISO 527-2, на термопластавтомате HDRIVE 140. Экспериментально определен минимальный размер ячейки решетки, необходимый для ее проливаемости. Проведена механическая обработка отлитых образцов – литники отделены от проушин. На универсальной сервогидравлической машине MTS 322 проведено испытание 24 образцов проушин (два типа проушин, три размера решетки закладных элементов в каждом, плюс референтные проушины без втулки, каждого вида проушин по три экземпляра). Получены кривые растяжения, определена максимальная несущая способность проушин. Экспериментально подтверждено, что использование закладных элементов, спроектированных по разработанной методике позволяет повысить несущую способность проушин из короткоармированного полиамида-6 более чем в два раза. Для оценки структуры материала выполнено исследование места разрушения проушин двух видов проушин на электронном микроскопе фирмы TESCAN серии VEGA. Полученные изображения подтверждают корректность расчета тензора ориентации армирующих волокон.