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 24-19-00691
НазваниеСборные конструкции из гибридных стеклобазальтопластиковых композитных труб для умеренных и арктических условий
Руководитель Ватин Николай Иванович, Доктор технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" , г Санкт-Петербург
Конкурс №92 - Конкурс 2024 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-110 - Проектирование зданий и сооружений, строительство эксплуатация
Ключевые слова стеклобазальтопластиковые трубы, prefab конструкции, функциональная эффективность, защита от климатических воздействий, арктические климатические районы, модульные быстросборно-разборные конструкции
Код ГРНТИ67.09.00
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
ПРОЕКТ НАПРАВЛЕН НА РЕШЕНИЕ СЛЕДУЮЩИХ НАУЧНЫХ ПРОБЛЕМ:
- отсутствии систематических экспериментальных результатов и данных натурных наблюдений о работе гибридных стеклобазальтопластиковых композитных труб в составе модульных быстросборно-разборных конструкций;
- отсутствии математических моделей и численных методов для исследования механических и термических свойств гибридных стеклобазальтопластиковых композитных труб в составе модульных быстросборно-разборных конструкций;
- отсутствии научно-обоснованных методик проектирования и расчета гибридных стеклобазальтопластиковых композитных труб в модульных быстросборно-разборных конструкциях;
- отсутствии научно-обоснованных методик определения оптимальных параметров изготовления гибридных стеклобазальтопластиковых композитных труб и их обработки для использования в модульных быстросборно-разборных конструкций,
- отсутствии систематических данных о функциональной эффективности гибридных стеклобазальтопластиковых композитных труб в модульных быстросборно-разборных конструкций в арктических климатических регионах.
АКТУАЛЬНОСТЬ РЕШЕНИЯ ОБОЗНАЧЕННОЙ ПРОБЛЕМЫ заключается в том, что она также создает предпосылки для формирования новых научных направлений и технологических достижений, а также в том, что они являются ключевыми для разработки эффективных и надежных модульных быстросборно-разборных конструкций в умеренных и арктических климатических районах. Решение этих проблем позволит разработать новые технологические решения, оптимизировать производство и использование модульных быстросборно-разборных конструкций, а также повысить их долговечность, энергоэффективность, устойчивость и функциональность. Таким образом, актуальность решения указанных научных проблем заключается не только в их практической значимости для авиационной индустрии, но и в их потенциальном вкладе в развитие науки и технологий в целом.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА проекта заключается в следующем:
- научном обосновании использования гибридных стеклобазальтопластиковых композитных труб как основного материала для модульных конструкций.
- разработке новых методов проектирования модульных конструкций из гибридных стеклобазальтопластиковых композитных труб для различных климатических условий в том числе и арктических.
- определении прочностных характеристик гибридных стеклобазальтопластиковых композитных труб в умеренных и арктических климатических районах.
- оценке экономической и экологической эффективности использования этих труб.
- разработке рекомендаций по монтажу и эксплуатации модульных конструкций из гибридных стеклобазальтопластиковых композитных труб.
- исследовании возможности применения усовершенствованных материалов и технологий в их производстве.
- определении рациональных конструктивных решений для модульных конструкций, обеспечивающих защиту стоянок самолетов.
- проведении испытаний и моделировании для подтверждения эффективности использования гибридных стеклобазальтопластиковых композитных труб в модульных конструкциях для защиты стоянок самолетов.
Решение данных научных проблем позволит совершенствовать и расширять применение гибридных стеклобазальтопластиковых композитных труб в строительстве, а также создавать новые инновационные решения и технологии. Это позволит повысить эффективность, долговечность, прочность модульных быстросборно-разборных конструкций. Научная проблема является значимой для выбранного приоритетами научно-технологического развития (подпункт «а» пункта 20 Стратегии научно-технологического развития РФ): «переход к передовым цифровым, интеллектуальным производственным технологиям, роботизированным системам, новым материалам и способам конструирования, создание систем обработки больших объемов данных, машинного обучения и искусственного интеллекта;».
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. Лабораторные испытания подтвердили, что предел прочности стеклобазальтопластиковых труб (СБПТ) на растяжение в окружном направлении достигает 330-480 МПа при содержании ровинга 78-80%.
Прочность на сжатие варьируется от 260 до 370 МПа, осевой модуль упругости — 14-19.2 ГПа.
2. Эксплуатационные испытания показали высокую кольцевую прочность СБПТ, устойчивость к давлению, коррозии, теплоизоляцию (коэффициент теплопроводности 0.032-0.038 Вт/(м-К)) и звукоизоляцию (0.68-0.77). Эти показатели превосходят традиционные стеклопластиковые трубы.
3. Механические свойства включают разрушающую нагрузку при изгибе до 396.6 МПа и устойчивость к динамическим нагрузкам (5-10 кН, 101 тыс. циклов). СБПТ сохраняют прочность при многократных нагрузках, подтверждая долговечность.
4. Термическая стойкость материала обеспечивается инвариантностью прочностных характеристик при 22-50°С и возможностью эксплуатации труб до 20 лет в повышенных температурных условиях.
5. Сравнительный анализ показал, что прочность на растяжение СБПТ (350-490 МПа) превышает показатели стали (370-390 МПа). Низкая плотность материала снижает транспортные и монтажные затраты, обеспечивая экономические преимущества.
6. Численные модели позволяют прогнозировать механические свойства труб с точностью до 5.5%, оптимизировать производство и уменьшать потребность в натурных испытаниях.
7. Гидродинамическое моделирование процесса формования труб повысило контроль за параметрами экструзии, улучшив качество изделий и снижая дефекты.
8. Влияние компонентов установило, что ровинг оказывает ключевое влияние на прочность труб, а оптимальный диаметр волокон (3-15 мкм) улучшает их характеристики.
Разработанные модели описывают связь состава и свойств труб.
Публикации
1.
Kh.M. Vafaeva
Development of new generation composite materials: a fractal approach
Инженерный вестник Дона, Северо-Кавказский научный центр высшей школы Южного федерального университета, Ростов-на-Дону, Россия, Инженерный вестник Дона, №12(2024) (год публикации - 2024)
10.13140/RG.2.2.34576.11522
2.
Ватин Н.И., Вафаева Х.М.
Prefabricated structures made of hybrid glass-basalt composite pipes for temperate and arctic conditions
Международная конференция «Материалы и технологии нефтегазовой отрасли. Коррозия.», доклад «Сборные конструкции из гибридных стеклобазальтопластиковых труб для умеренных и арктических условий», г. Санкт-Петербург, май 2024 г. (год публикации - 2024)
10.13140/RG.2.2.16696.97282
3.
Vafaeva Khristina Maksudovna, Nuguzhinov Zhmagul Smagulovich
Multifractal modeling for quality control and mechanical property assessment of fiberglass pipes
Construction of Unique Buildings and Structures, Vafaeva, Kh.; Nuguzhinov, Zh.Multifractal modeling for quality control and mechanical property assessment of fiberglass pipes; 2024; Construction of Unique Buildings and Structures; 113 Article No 11317. doi: 10.4123/CUBS.113.17 (год публикации - 2024)
10.4123/CUBS.113.17
4.
Vafaeva Khristina Maksudovna, Nuguzhinov Zhmagul Smagulovich
Multi-criteria evaluation of glass-basalt composites based on fractal geometry
Construction of Unique Buildings and Structures, Vafaeva, Kh.; Nuguzhinov, Zh. Multi-criteria evaluation of glass-basalt composites based on fractal geometry; 2024; Construction of Unique Buildings and Structures; 113 Article No 11316. doi: 10.4123/CUBS.113.16 (год публикации - 2024)
0.4123/CUBS.113.16
5.
Vafaeva Khristina Maksudovna, Nuguzhinov Zhmagul Smagulovich
Effect of matrix fiber multifractal characteristics on the strength of glass-basalt composite pipes
Construction of Unique Buildings and Structures, Vafaeva, Kh.; Nuguzhinov, Zh. Effect of matrix fiber multifractal characteristics on the strength of glass-basalt composite pipes; 2024; Construction of Unique Buildings and Structures; 113 Article No 11315. doi: 10.4123/CUBS.113.15 (год публикации - 2024)
10.4123/CUBS.113.15
6.
Vafaeva Khristina Maksudovna, Nuguzhinov Zhmagul Smagulovich
Sensitivity of composite pipe properties to fractal dimensions
Construction of Unique Buildings and Structures, Vafaeva, Kh.; Nuguzhinov, Zh. Sensitivity of composite pipe properties to fractal dimensions; 2024; Construction of Unique Buildings and Structures; 113 Article No 11318. doi: 10.4123/CUBS.113.18 (год публикации - 2024)
10.4123/CUBS.113.18
7.
Kh.M. Vafaeva
Multifractal Analysis for Young's Modulus Estimation in Composite Pipes
Инженерный вестник Дона, Северо-Кавказский научный центр высшей школы Южного федерального университета, Ростов-на-Дону, Россия, Инженерный вестник Дона, №11 (2024) (год публикации - 2024)
10.13140/RG.2.2.36810.58564
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Механические свойства труб (растяжение, сжатие, изгиб):
- Испытаны образцы с 3–6 слоями, диаметрами 80–150 мм. Средние значения: предел прочности на растяжение 18.5 МПа, модуль упругости 1.34 ГПа, относительное удлинение 15%.
- При осевом сжатии: условный предел прочности до 84 МПа (характер разрушения — смятие и расслоение).
- На изгиб: изгибающее напряжение 50.2 МПа при прогибе 36%.
- Ударная вязкость по Шарпи при +20 °С — 86 кДж/м², при –40 °С — 61 кДж/м² (снижение на 29%).
- Циклические испытания (1.2 млн циклов 0↔1.5×MOP) подтвердили ресурс >50 лет.
Тесты на давление:
- Фактическое разрушающее давление выше заявленного DN80 MOP 70 бар — 228 бар (коэффициент запаса 3.26), DN100 MOP 100 бар — 342 бар (коэффициент 3.42). Длительные испытания (1000 ч при 1.5×MOP) — без разрушения.
Температурные испытания:
- Диапазон –60…+60 °С: рост прочности на 37% при –60 °С, снижение на 11% при +60 °С.
- Переход к хрупкому разрушению внешних слоев ниже –40 °С, но армирующий слой сохраняет способность.
- После выдержки при –50 °С (1000 ч) и 100 термоциклов (–40…+40 °С): снижение прочности ≤3–4%.
Влияние дефектов и анализ:
- Искусственные дефекты (надрезы 30–50% стенки) продемонстрировали снижение разрушающего давления на 8–34%;
- Микроскопический анализ показал, что разрушение начинается с вытягивания волокон и расслоения.
Исследования армирующих материалов (стеклоленты):
- Предел прочности 18.8 МПа, модуль упругости 1.19 ГПа, водопоглощение 0.04%.
- Сохранение свойств после NaCl и нефтепродуктов 95–97%.
ЧИСЛЕННЫЕ РАСЧЕТЫ И МОДЕЛИРОВАНИЕ
- Модель разрушающего давления (BP) учитывает геометрию, слои и деградацию; прогноз снижения BP на 5–10% после 10 000 ч при 1.2×MOP.
- Регрессионные уравнения на основе фрактальной размерности D (1.5–2.0, R²=0.93–0.96) учитывают влияние температуры (рост D на 8% при –60 °С), химических сред (изменение D на 3–4%), дефектов (рост D на 12%) и циклов (рост D на 7%).
- Анализ прочности и факторов: коэффициент λ для дефектов растет в 1.5–2 раза. TDA кластеризует трубы по дефектам (коэффициент 0.471).
Результаты проекта получили международное признание и отмечены в отраслевом издании Sustainable Construction Review (июль 2025 г.), где подчеркивается, что фрактальные математические модели российских исследователей позволяют повысить точность мониторинга состояния арктических трубопроводов:
https://sustainableconstructionreview.com/2025/07/25/arctic-pipeline-monitoring-revolutionized-by-fractal-math-models/
Публикации
1.
Вафаева Х. М., Карпов Д. Ф., Романовски В.
Digital Twins and Neural Networks: A Powerful Toolkit for Developing Fretting Fatigue-Resistant Materials
Advances in Civil Engineering, John Wiley and Sons Ltd (год публикации - 2025)
10.1155/adce/9996376
2.
Вафаева Х. М., Ватин Н. И., Карпов Д. Ф., Романовски В.
Monitoring hybrid glass-basalt plastic pipes: a fractal approach to failure analysis
Materials Research Express, Vafaeva, K.M., Vatin, N.I., Karpov, D.F. and Romanovski, V. (2025) Monitoring Hybrid Glass-Basalt Plastic Pipes: A Fractal Approach to Failure Analysis. Materials Research Express, IOP Publishing, 12, 075307. https://doi.org/10.1088/2053-1591/ADF161. (год публикации - 2025)
10.1088/2053-1591/adf161
3.
Вафаева Х. М., Ватин Н. И., Карпов Д. Ф., Воронов А. С.
Hybrid glass-basalt fiber reinforced polymer pipes for prefabricated construction in temperate and arctic environments: a review
Строительство уникальных зданий и сооружений, Vafaeva, Kh.; Vatin, N.; Karpov D.; Voronov, A. Hybrid glass-basalt fiber reinforced polymer pipes for prefabricated construction in temperate and arctic environments: A review; 2025; Construction of Unique Buildings and Structures; 119 Article No 11905. doi: 10.4123/CUBS.119.5 (год публикации - 2025)
10.4123/CUBS.119.5
4.
Вафаева Х. М., Ватин Н. И.
Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2025688370. TS-TopoCluster – программа для топологического анализа сигналов ультразвукового неразрушающего контроля
г. Санкт-Петербург, Россия, Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2025688370 Российская Федерация. TS-TopoCluster – программа для топологического анализа сигналов ультразвукового неразрушающего контроля : заявл. 14.10.2025 : опубл. 20.10.2025 / Х. М. Вафаева, Н. И. Ватин ; заявитель федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого". (год публикации - 2025)
10.13140/RG.2.2.18881.42086
5.
Вафаева Х. М., Павлов М. В., Карпов Д. Ф., Исмаилов А. М., Романовски В.
Optimizing Heating Systems for Greenhouses Using Gas Radiators
Journal of Engineering, John Wiley and Sons Ltd, Vafaeva, Kh. M., Pavlov, M. V., Karpov, D. F., Ismailov, A. M., Romanovski, V., Optimizing Heating Systems for Greenhouses Using Gas Radiators, Journal of Engineering, 2025, 9586181, 9 pages, 2025. https://doi.org/10.1155/je/9586181 (год публикации - 2025)
10.1155/je/9586181
6.
Вафаева Х.М., Ватин Н.И.
Композитные материалы для стеклобазальтопластиковых труб с повышенными эксплуатационными характеристиками
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, 2025., Композитные материалы для стеклобазальтопластиковых труб с повышенными эксплуатационными характеристиками: специальность 2.1.5. Строительные материалы и изделия: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Вафаева Христина Максудовна; научный руководитель Ватин Николай Иванович; Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого. — Санкт-Петербург, 2025. — http://elib.spbstu.ru/dl/2/r25-25.pdf. — DOI 10.18720/SPBPU/2/r25-25 (год публикации - 2025)
10.13140/RG.2.2.32920.92162
7. Боровков А. И., Вафаева Х. М., Ватин Н. И., Нугужинов Ж. С. Topological Data Analysis and Graph Signal Processing: Quantitative Defect Assessment and Localization of Structural Inhomogeneities in Composites from Nondestructive Testing Data Materials Physics and Mechanics (год публикации - 2025)