Экспериментальное и теоретическое исследование механизмов повреждений металлов и композиционных материалов с покрытиями в условиях многократного высокоскоростного каплеударного воздействия

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 23-49-00133

НазваниеЭкспериментальное и теоретическое исследование механизмов повреждений металлов и композиционных материалов с покрытиями в условиях многократного высокоскоростного каплеударного воздействия

Руководитель Рабинский Лев Наумович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" , г Москва

Конкурс №74 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (NSFC)

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

Ключевые слова Композиционные материалы, дождевая эрозия, каплеударное воздействие, моделирование, динамические эксперименты, механизмы повреждений

Код ГРНТИ30.19.57

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на разработку новых методов экспериментального и теоретического исследования процессов каплеударной эрозии конструкционных авиационных материалов и повышение точности прогнозов критических параметров внешних воздействий, приводящих к интенсивному разрушению поверхности элементов конструкций высокоскоростных летательных аппаратов, движущихся в атмосфере в дождевых условиях. Каплеударная эрозия - это процесс образования повреждений на поверхностях летательного аппарата при высокоскоростном полете через зоны дождя. Несмотря на малый размер капель и их малую массу, множественное ударное воздействие по поверхности материала приводит к выкрашиванию и износу материалов, который может, в результате, приводить к полному разрушению носовых обтекателей, элементов теплозащиты, лопаток турбин, изменению геометрии аэродинамических поверхностей, снижению безопасности полета и т.д. Решение проблемы каплеударной эрозии связано с выбором достаточно прочных материалов и нормированием условий полетов. Построение теоретических моделей и разработка методов экспериментального исследования процессов каплеударной эрозии является важной составляющей в решении проблемы обеспечения защиты поверхностей высокоскоростных летательных аппаратов. В современном практическом конструировании, когда объекты (такие как самолет, лопатки ветрогенератора, вентилятор двигателя, лопатки компрессора и т. д.) работают на высокой скорости, повреждения, вызванные каплеударным воздействием на поверхность, называется дождевой каплеударной эрозией. Повреждение в результате дождевой эрозии может не являться очевидным на начальном этапе воздействия, но затем оно приведет к снижению прочности, деградации физико-механических свойств материала, а также к появлению локального отслаивания, что существенно влияет на функциональные свойства конструкционных материалов и, как следствие, приводит к снижению прочности конструкции. В высокоскоростных ЛА гетерогенные композитные материалы, такие как C / C, C / SiC и т. д., используемые в передней кромке оперения, руля направления, носового обтекателя, значительно подвержены поверхностному разрушению, вызванному каплеударным воздействием при полете на высоких скоростях. В этом случае окислительное покрытие и структурные повреждения на поверхности представляют серьезную угрозу безопасности полета. Чрезвычайно-высокая относительная скорость между дождевыми каплями и летательным аппаратом может вызвать деформацию и разрушение таких компонентов, как окна и обтекателя радара, что в свою очередь приводит к отказу приборов и может поставить безопасность полета под вопрос. Поэтому очень важно изучить механизм динамического поведения жидкостей и материалов во время действия дождевой эрозии. Научная новизна проекта исследования определяется следующим: 1) В теоретическом плане предлагается использовать новый численно-аналитических метод, основанный на использовании поверхностных функций влияния и позволяющий снизить ресурсоемких расчетов. Предлагается впервые исследовать не только единичный, но периодический и стохастический режимы каплеударного воздействия. 2) Предлагается разработать аппарат поверхностных функций влияния в рамках динамической градиентной теории упругости, позволяющий учитывать масштабные параметры (по пространству и по времени) и связать их с характерным размером и длительностью воздействия капель по поверхности материала. Это должно позволить дополнительно снизить ресурсоемкость вычислений и определять динамический отклик материала суперпозицией решений, вместо интегрирования и свертки фундаментальных решений с функциями внешней нагрузки. 3) В экспериментальных исследованиях планируется провести оптимизацию экспериментальной установки (Китай), реализовать контроль формы и размера отверстия форсунки, а также провести анализ взаимосвязи между формой капли и конструкции форсунки для достижения контроля качества капли. Предоставить новый экспериментальный подход для исследования механизма разрушения высокоскоростного каплеударного воздействия на металлы и прочные пластические материалы. Выполнить испытание каплеударного воздействия с различными скоростями и углами на образцы. Использовать лазерные спидометры и другое приборы для измерения скорости высокоскоростной каплеударной струи. Применить оптические бесконтактные методы, такие как цифровую обработку изображений для измерения и анализа поверхностного распределении напряжения, отклонений и скорости от плоскости и других состояния материала и конструкций во время каплеударной деформации.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Ша Мингун, Рабинский Л.Н., Орехов А.А. Impact of Raindrop Erosion on Structural Components Russian Engineering Research, 43 (7), pp. 834-837 (год публикации - 2023)
10.3103/S1068798X23070195

2. Орехов А.А., Рабинский Л.Н., Федотенков Г.В. Impact of a Water Drop on a Plane Solid Surface Russian Engineering Research, 43 (7), pp. 1469-1471 (год публикации - 2023)
10.3103/S1068798X23110229

3. А.В. Бабайцев, Л.Н. Рабинский Д.С. Шавелкин Improving Tests of Composites by Fiber Extraction from the Matrix Russian Engineering Research, Vol. 43, No. 7, pp. 1465–1468 (год публикации - 2023)
10.3103/S1068798X23110059

4. Л.Н. Рабинский, М.И. Мартиросов, Д.В. Дедова ДИНАМИКА ТРЕХСЛОЙНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПАНЕЛЕЙ С ВНУТРЕННИМИ ДЕФЕКТАМИ ПОД ДЕЙСТВИЕМ НАГРУЗОК РАЗЛИЧНОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ ИННОВАЦИОННОЕ РАЗВИТИЕ ТРАНСПОРТНОГО И СТРОИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСОВ Материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию БелИИЖТа – БелГУТа (Гомель, 16–17 ноября 2023 г.) Часть 2, Том 2, стр. 140-132 (год публикации - 2023)

5. М.Ю. Калягин, Л.Н. Рабинский ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ РАЗРУШЕНИЯ КОМПОЗИТНЫХ ПАНЕЛЕЙ С УЧЁТОМ СТРУКТУРНОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ И ПОВРЕЖДЕННОСТИ МАТЕРИАЛЫ XXIX МЕЖДУНАРОДНОГО СИМПОЗИУМА «ДИНАМИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ МЕХАНИКИ КОНСТРУКЦИЙ И СПЛОШНЫХ СРЕД» имени А.Г. Горшкова Кремёнки, 15 – 19 мая 2023 г. Том 2, Том 2, стр. 24-25 (год публикации - 2023)

6. Добрянский В.Н., Федотенков Г.В., Орехов А.А., Рабинский Л.Н. Generalized Unsteady Thermal Conductivity in a Half-Space Lobachevskii Journal of Mathematics, Vol. 44, No. 10, pp. 4429–4437 (год публикации - 2023)
10.1134/S1995080223100086

7. А.А. Орехов, Л.Н. Рабинский ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА КАПЛЕУДАРНОЙ ЭРОЗИИ В КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ АВИАЦИОННОГО НАЗНАЧЕНИЯ ИННОВАЦИОННОЕ РАЗВИТИЕ ТРАНСПОРТНОГО И СТРОИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСОВ Материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию БелИИЖТа – БелГУТа (Гомель, 16–17 ноября 2023 г.) Часть 2, Том 2, стр. 130-131 (год публикации - 2023)

8. Федотенков Г.В., Орехов А.А., Рабинский Л.Н. Unsteady Contact Interaction of Liquid and Solid Bodies Lobachevskii Journal of Mathematics, Volume 45, Issue 5, Pages 2262 - 2272 (год публикации - 2024)
10.1134/S1995080224602558

9. ДЕДОВА Д.В., МАРТИРОСОВ М.И., РАБИНСКИЙ Л.Н. Исследование динамики плоских и цилиндрических трехслойных панелей с заполнителем при наличии дефектных зон различной конфигурации Актуальные вопросы прочности : Сборник тезисов LXVII Международной конференции, Екатеринбург, 02–05 апреля 2024 года. – Екатеринбург: Уральский государственный горный университет, С. 30-31. (год публикации - 2024)

10. Рабинский Л.Н., М.И. Мартиросов, Д.В. Дедова, А.В. Хомченко, А.Ю. Ершова Ударное воздействие на трехслойную цилиндрическую панель с заполнителем из стеклосотопласта СТИН, №4, стр. 27-30 (год публикации - 2024)

11. Ша Мингун, Сунь Ин, Ли Ютонг, Лиу Юмин, Федотенков Г.В., Рабинский Л.Н., Бабайцев А.В., Ли Юлонг Impact damage testing based on high-speed continuous water jet aircraft coatings Chinese Journal of Aeronautics, Volume 37, Issue 10, Pages 249 - 264 (год публикации - 2024)
10.1016/j.cja.2024.05.017

12. Калягин М.Ю., Рабинский Л.Н., Шумская С.А. Исследование влияния пористости на физико-механические характеристики полиимидного пенопласта XIII Международная научно-практическая конференция «Проблемы безопасности на транспорте», Том 2, стр. 152-153 (год публикации - 2024)

13. Шумкин С.В., Рабинский Л.Н. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК В ПАНЕЛЯХ ИЗ НАНОМОДИФИЦИРОВАННОГО КОМПОЗИТНОГО МАТЕРИАЛА Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред, Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред : Материалы XXXI Международного симпозиума имени А.Г. Горшкова, Кремёнки, 19–23 мая 2025 года. – Москва: ООО "ТРП", 2025. – С. 193-194. – EDN VAYARK. (год публикации - 2025)

14. Сунь Ин, Бабайцев А.В. НЕСТАЦИОНАРНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КАПЛИ ЖИДКОСТИ С ТВЁРДОЙ ДЕФОРМИРУЕМОЙ ПРЕГРАДОЙ Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред, Том 1, стр. 172 (год публикации - 2025)

15. Бабайцев А. В., Рабинский Л. Н. Damage by Repeated High-Speed Water-Drop Impact: Finite-Element Modeling of Erosion Russian Engineering Research, Vol. 45, No. 4. – P. 554-556. (год публикации - 2025)
10.3103/S1068798X25700443

16. Терещенко Т. С., Орехов А. А., Рабинский Л. Н. Исследование статических и динамических физико-механических характеристик стали, изготовленной методом послойного лазерного спекания Труды МАИ, № 140 (год публикации - 2025)

17. Л.Н. Рабинский, С.А. Шумская, М.Ю. Калягин Numerical Estimates of the Physicomechanical Properties of Porous Composites Russian Engineering Research, Volume 45, pages 133–135 (год публикации - 2025)
10.3103/S1068798X24703404

18. Бабайцев А.В., Шумская С.А., Рипецкий А.В. Research of the Impact of SLM Printing Parameters on Residual Deformation Levels in Aluminum Products Russian Engineering Research, Volume 44, pages 730–733 (год публикации - 2024)
10.3103/S1068798X24700965

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В рамках научного проекта, направленного на исследование процессов динамического деформирования изотропных и ортотропных материалов с покрытиями при каплеударных воздействиях, в отчетном году выполнены следующие работы и получены ключевые научные результаты. Выполненные работы Разработка теоретической модели. Сформулирован метод поверхностных функций Грина для описания взаимодействия капли жидкости с изотропными (металлы) и анизотропными (однонаправленные полимерные композиты) материалами. Разработаны интегральные соотношения, связывающие нестационарное давление, возникающее при ударе капли, с перемещениями и напряжениями в твердых телах и покрытиях. Моделирование динамического поведения материалов. Проведены расчеты распределения напряжений и перемещений в конструкциях с покрытиями под воздействием одиночных и периодических ударов капель. Установлено влияние скорости, размера и формы капли на локализацию напряжений и зоны возможного разрушения. Разработка численных методов. Созданы численно-аналитические методы расчета для решения задач динамического деформирования. Построены высокоточные квадратурные формулы, которые позволяют эффективно учитывать особенности подынтегральных функций, возникающих при описании каплеударного взаимодействия. Моделирование нестационарных процессов. Смоделировано распределение нестационарного давления в жидкости, включая формирование ударных волн, и нестационарного поля напряжений в твердых телах. Это позволяет описывать динамическое поведение материалов при интенсивных каплеударных воздействиях. Исследование периодических воздействий. Разработаны алгоритмы расчета накопления повреждений при многократных каплеударных воздействиях. Установлены закономерности изменения напряженно-деформированного состояния покрытий в зависимости от частоты и интенсивности ударов. Экспериментальные исследования. Проведены испытания на растяжение и трехточечный изгиб образцов из алюминиево-магниевого сплава и полимерного композиционного материала с покрытиями. Получены зависимости механических характеристик исследованных образцов от толщины покрытия. Определены характеристики покрытий с использованием метода наноиндентирования. Полученные научные результаты Разработан универсальный метод для анализа динамического поведения изотропных и ортотропных материалов с покрытиями под каплеударными нагрузками. Построены аналитические модели, позволяющие описывать временную эволюцию напряжений в материалах с покрытиями и предсказывать зоны локализации максимальных напряжений. Получены данные о критических параметрах ударов капель, которые приводят к началу эрозии покрытий. Это включает критические значения скорости капли, размера и частоты воздействий. Разработаны численные методы, обеспечивающие высокую точность и устойчивость расчетов для анализа сложных каплеударных процессов. Построены эмпирические зависимости, связывающие характеристики капли с максимальными напряжениями, временем взаимодействия и размерами зоны контакта. Применение результатов Полученные результаты имеют прикладное значение для авиационной, энергетической и автомобильной промышленности, где требуется разработка покрытий, устойчивых к каплеударным нагрузкам. На их основе можно проектировать более надежные и долговечные покрытия, предотвращающие эрозию и разрушение конструкций. Результаты исследования представлены в публикациях в рецензируемых научных журналах и на конференциях.

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Конкретные научные результаты за 2025 год: 1. Развитие метода поверхностных функций Грина: построена полная интегральная формулировка для динамического деформирования слоистых анизотропных пластин и полупространств при одиночном и непрерывном каплеударном воздействии, с учётом непрерывности всего тензора напряжений на внутренних границах слоёв. 2. Матрично-спектральная постановка и алгоритмы: трёхмерная задача сведена к системе матричных ОДУ по глубине с построением фундаментальных матриц решений и поверхностных функций Грина; разработаны устойчивые численно-аналитические схемы (выделение сингулярностей, специальные квадратурные формулы с адаптивным сгущением узлов). 3. Программная реализация и верификация: создан модульный программный комплекс (генератор спектральных матриц, решатель матричных ОДУ, вычислитель поверхностных функций Грина, постпроцессор полей), оптимизированный для параллельных расчётов; выполнена верификация по упрощённым случаям, конечно-элементным моделям и экспериментальным данным (в том числе китайским испытаниям каплеударной эрозии). 4. Новые физические эффекты в многослойных структурах: показано, что введение мягкого промежуточного слоя между жёстким покрытием и более пластичной подложкой смещает максимумы напряжений вглубь и снижает пиковые напряжения у поверхности; для анизотропных композитных подложек выявлена критическая роль ориентации армирования в формировании максимумов касательных напряжений и межслойного разрушения. 5. Режимы каплеударного нагружения и чувствительность системы: установлен эффект квазирезонансного нарастания нестационарных напряжений при сериях ударов с частотой, близкой к собственным модам слоистой системы; проведён анализ чувствительности к разбросу упругих модулей и толщин слоёв, показавший возможное существенное смещение наиболее опасных зон напряжений. 6. Изготовлены изотропные однослойные, изотропные многослойные и ортотропные образцы. Определены физико-механические характеристики образцов и элементов структур, входящих в них. Проведены серии испытаний экспериментальных образцов для верификации разработанных численных и аналитических моделей. На основе апробированных моделей получены зависимости критических параметров каплеударной эрозии на область и характер разрушения. Результаты математического моделирования позволили выявить механизмы повреждений эрозионных процессов в исследуемых материалах.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта имеют прямую практическую значимость для экономики и социальной сферы Российской Федерации, поскольку направлены на повышение ресурса и надёжности изделий, работающих в условиях дождевой (каплеударной) эрозии, и на снижение затрат, связанных с ремонтом, простоем и преждевременной заменой элементов конструкций. 1. Практическое применение и внедрение Разработанные математические модели, интегральные постановки и программный комплекс позволяют выполнять инженерный прогноз зон зарождения повреждений, оценивать критические режимы каплеударного нагружения и сравнивать варианты многослойных покрытий и подложек по критериям максимальных (эквивалентных и касательных) напряжений и рисков межслойного разрушения. Это создаёт основу для использования результатов: - при проектировании и доводке защитных покрытий авиационной техники и энергетического оборудования (лопатки, обшивка, кромки, элементы воздухозаборников и другие детали, подверженные эрозии); - при выборе рациональных структур многослойных систем «покрытие–подслои–подложка» для металлических и композитных деталей с учётом ориентации армирования и допустимых допусков по толщине/свойствам слоёв; - при разработке регламентов эксплуатации и технического обслуживания (ТОиР) на основе прогнозируемого ресурса и карт опасных режимов (частота/серийность ударов, близость к собственным модам системы). 2. Создание и совершенствование продукции и технологий Научные результаты формируют технологический задел для создания и совершенствования: - новых и усовершенствованных защитных покрытий и многослойных композитно-металлических систем, устойчивых к каплеударной эрозии (в том числе за счёт введения мягких промежуточных слоёв, оптимизации толщин и сочетаний жёсткости); - технологий проектирования покрытий и композитных подложек, в которых параметры материала (упругие модули, ориентация армирования) выбираются с учётом динамических волновых эффектов и риска межслойного разрушения; - методов численного анализа и испытательно-расчётной верификации, позволяющих сократить объём дорогостоящих натурных испытаний за счёт предварительной вычислительной оптимизации конструкции и режима испытаний. 3. Формирование научно-технологических заделов В ходе проекта создана верифицированная методическая и программная база (поверхностные функции Грина, матрично-спектральные алгоритмы, устойчивые квадратуры, модульный ПО-комплекс, экспериментальные данные и образцы), которая может быть использована как: - платформа для отраслевых НИОКР и контрактных работ с предприятиями (авиация, двигателестроение, энергетика, транспорт); - инструмент для цифрового проектирования (цифровых двойников) элементов конструкций с покрытиями, работающих в агрессивных атмосферных условиях; - основа для разработки нормативно-методических рекомендаций по выбору материалов, структуре покрытия и допускам на параметры слоёв с целью повышения долговечности. 4. Социальный эффект Практическое применение результатов проекта способствует повышению безопасности эксплуатации техники, снижению аварийности и затрат на обслуживание, увеличению межремонтных интервалов и ресурса изделий. Это обеспечивает экономический эффект (снижение эксплуатационных издержек и стоимости жизненного цикла изделий) и социальный эффект за счёт повышения надёжности транспортной и энергетической инфраструктуры. Таким образом, результаты проекта создают научно-технологический задел для внедрения в промышленную практику методов прогнозирования и повышения стойкости покрытий и многослойных конструкций к каплеударной эрозии, что может привести к созданию новых и усовершенствованных материалов и технологий, обеспечивающих экономический рост и социальное развитие Российской Федерации.