Российские инженеры представили инновационный способ проверки прочности сложных конструкций, включая детали воздушных судов, зданий, турбин и других объектов. Суть технологии состоит в 3D-печати уменьшенных или увеличенных копий деталей из прозрачных полимерных материалов и их последующих испытаниях под нагрузкой. При механическом напряжении материал моделей изменяет оптические характеристики, что позволяет визуально определить внутренние напряжения и уязвимые места конструкции. Кроме того, данная технология может использоваться для проверки корректности инженерных программ.

Как 3D-модели и свет помогают выявлять слабые зоны в конструкциях

Специалисты Московского авиационного института (МАИ) разработали инновационный метод исследования прочности конструкционных элементов. Методика включает 3D-печать уменьшенных копий из прозрачных композитов, которые проходят испытания под нагрузками с целью визуализации уязвимых точек и напряжений в конструкции.

Фото: пресс-служба МАИ

Данная разработка применяется для расчёта допустимых нагрузок на критические компоненты самолетов: крылья, фюзеляж и двигательные части. Она также подходит для оценки прочности деталей зданий, исторических памятников, кораблей, турбин электростанций и других сложных технических объектов, которые испытывают значительные нагрузки в эксплуатации.

— Метод предполагает создание экспериментальных моделей с помощью 3D-принтера — уменьшенных или увеличенных копий с геометрическим подобием исследуемых деталей. Модели изготовлены из прозрачных полимеров, которые при механическом воздействии изменяют свои оптические свойства. Это позволяет наблюдать распределение нагрузок внутри образцов, — объяснил один из разработчиков, инженер и аспирант кафедры 203 «Конструкция и проектирование двигателей» МАИ Роман Сабитов.

По словам Романа Сабитова, при просвечивании деталей поляризованным светом в них образуются характерные цветные полосы, отражающие внутренние напряжения. По аналогии с принципом работы тепловизора, здесь изучают не температуру, а механические силы.

Такой подход позволяет конструкторам оперативно выявлять зоны с высокими нагрузками, а при необходимости корректировать форму конструкций для увеличения их прочности, отметил ученый. Методика сочетает современные технологии 3D-печати с классическим экспериментальным методом фотоупругости, основанным на изменении оптических характеристик прозрачного материала при приложении сил.

Фото: пресс-служба МАИ

— Ранее при изготовлении подобных моделей использовали литье из эпоксидных смол, что требовало нагрева и заливки в формы с длительным застыванием — процесс мог длиться недели. При малейшей ошибке работу приходилось начинать заново. Теперь благодаря 3D-печати подготовка модели занимает всего несколько часов, делая процесс более надежным и гибким, — уточнил разработчик.

Новая методика также позволяет создавать и проверять детали со сложной геометрией, а также моделировать внутреннюю анизотропию материалов, что повышает реалистичность экспериментов, добавил он.

Как аналоговый способ помогает оценить цифровые модели

Предложенный метод также пригоден для верификации вычислительных моделей за счет сопоставления результатов с экспериментальными данными, отметил специалист. Таким образом, технология может значительно помочь в тестировании программ для анализа прочности и расчета конструкций.

— Например, при компьютерном моделировании требуется создание конечно-элементной сетки, в узлах которой часто возникают ошибки, достигающие, по некоторым оценкам, 20–30%. В отличие от цифровых вычислений фотоупругость — аналоговый метод, визуально демонстрирующий распределение напряжений без вычислительных ошибок и приближений, — пояснил Роман Сабитов.

Фото: пресс-служба МАИ

Это актуально в условиях ухода с российского рынка зарубежных поставщиков программного обеспечения для инженерного анализа, таких как ANSYS и Siemens NX. На их место приходят отечественные аналогичные решения, нуждающиеся в тщательной проверке, подчеркнул разработчик.

Сейчас специалисты продолжают работу по улучшению технологии — исследуются более прозрачные полимеры и разрабатываются алгоритмы для автоматического анализа карт напряжений. Также создается новый испытательный стенд, сообщил ученый.

— Метод открывает перспективы для недорогой и быстрой проверки инженерных решений. Одно из преимуществ — возможность легко и быстро создавать модели с помощью 3D-печати, включая конструкции с очень сложной формой, — отметил «Известиям» эксперт в авиации, исполнительный директор агентства «АвиаПорт» Олег Пантелеев.

По его мнению, данный метод не заменяет полностью натурные испытания конструкций, выполненных в серийном виде, но способен значительно ускорить этапы проектирования и доработки.

Фото: пресс-служба МАИ

Вместе с тем предстоит большая работа по проверке достоверности технологии и оценке ее применимости, отметил эксперт.

— Инновационная разработка имеет прикладной и методический характер. Она демонстрирует, как объединение существующих методов может создать качественно новый инструмент. Особо важно, что возможность быстро производить модели со сложной геометрией и заданными свойствами открывает новую страницу в экспериментальной механике, где последовательное тестирование и модификация конструкторских решений становятся стандартом, а не дорогим исключением, — рассказал директор НИИ строительных материалов и технологий НИУ МГСУ Алексей Адамович.

Разработка имеет потенциал для дальнейшего совершенствования, например, за счет включения в полимерную матрицу умных материалов. Это могут быть сенсорные частицы, чувствительные к температурным воздействиям или различным типам нагрузок (сдвиг, кручение). Такие материалы позволят не только визуализировать напряжения, но и определять характер нагрузок и выявлять накопление усталостных повреждений, подвел итог эксперт.