В МАИ разрабатывают композитные сэндвич-панели

Проект Института № 9 «Общеинженерной подготовки» Московского авиационного института «Разработка высокоэффективных ударопрочных, вибродемпфирующих и теплозащитных трехслойных конструкций с применением перспективных композиционных материалов». Научно-исследовательские работы по данному проекту выполнены при поддержке Российского научного фонда.

Когда говорят о трёхслойных конструкциях, то как правило имеют ввиду сэндвич-панели — материалы, которые состоят из двух несущих слоёв и разделяющего их заполнителя. Такие конструкции обладают высокими показателями удельной жесткости и прочности. Это достигается благодаря наиболее рациональному сочетанию конструкционных материалов — тонкие, жесткие и прочные несущие слои воспринимают основную нагрузку, а лёгкий заполнитель обеспечивает заданное расстояние между несущими слоями и повышение момента инерции сечения панели. В результате, нагрузка эффективно передается на несущие слои, а масса конструкции значительно снижается по сравнению с однослойными или другими вариантами структуры.

Именно этим обусловлено повсеместное использование сэндвич-панелей. Они применяются при производстве корпусов отсеков и обтекателей ракет, несущих панелей в составе конструкции космических аппаратов и спутников. В авиации такие конструкции используют при производстве отдельных элементов оперения и механизации ВС, обшивки и пола в кабинах самолёта. Кровля и стены быстровозводимых модульных конструкций, как правило, сделаны из сэндвич-панелей.

Для разных типов трехслойных конструкций существуют стандартные проектировочные методики и технические требования — какой толщины и из какого материала необходимо сделать слои, чтобы конструкция была оптимальной с точки зрения массы, объёма, прочности, жесткости и прочих параметров.

В рамках проекта, который реализуется на базе института № 9 «Общеинженерной подготовки» Московского авиационного института, под руководством старшего научного сотрудника Юрия Соляева, учёные предложили оптимизировать трёхслойные конструкции за счёт использования новых композиционных материалов, которые обладают специфическим сочетанием механических и физических характеристик. За счёт применения таких материалов можно расширить функциональные характеристики трёхслойных конструкций, например, обеспечить теплозащиту внутреннего пространства, повысить ударопрочность и не только.

«Для описания панелей мы разрабатываем новые инженерные методы расчета, которые позволяют учитывать при проектировании не только стандартные параметры — свойства материалов и толщину слоёв, но и, микромеханические характеристики композитов, которые позволяют существенно улучшить свойства готовых изделий», — отмечает один из авторов проекта Юрий Соляев.

Например, учёные показали, что можно проектировать конструкции, обладающие, одновременно, повышенными характеристиками жесткости и демпфирования колебаний. С точки зрения обычных методов проектирования, данный подход является противоречивым, так как жесткие конструкции обычно плохо гасят колебания. Однако, повышение параметров демпфирования можно достичь за счет применения тонких (оптимальной толщины) вязкоупругих прослоек, которые обеспечивают диссипацию энергии на уровне микроструктуры материала и не сильно снижают его жесткость.

Схожих эффектов можно достичь и в металлополимерных композитах, в которых при изгибе возникают значительные сдвиги в полимерных слоях, также приводящие к интенсивной диссипации энергии и гашению высокочастотных колебаний.

Ёще одна задача проекта — выбор оптимального наполнения металлокомпозитных несущих слоев в целях повышения статической и динамической прочности сотопанелей. Задача нетривиальная так как, в статике прочность конструкции определяется, преимущественно, жесткостью несущих слоев, которые не допускают слишком больших прогибов панели, а в динамике важна пластичность материала для поглощения энергии удара. Учёные МАИ работают над возможностью расчёта оптимального наполнения металлокомпозита дисперсными частицами, в целях повышения его жесткости и, при этом, не слишком сильного снижения пластических свойств.

В рамках проекта разрабатывается ещё одно весьма перспективное направление — применение механических метаматериалов в качестве заполнителей трехслойных конструкций. Метаматериалы — это периодические структуры, которые обладают специфическими свойствами, не встречающимися в обычных природных и конструкционных материалах. Ведётся поиск таких вариантов заполнителей-метаматриалов, которые позволят реализовать «делокализацию» отклика конструкции на внешние воздействия, то есть перераспределить внешнюю нагрузку от точки ее приложения на большой объем материала. Такие материалы могут обладать более высокими удельными параметрами энергопоглощения по сравнению с обычными облегченными сетчатыми или ячеистыми структурами, которые сейчас применяются в ударопоглощающих конструкциях.

В процессе выполнения проекта по разработке высокоэффективных ударопрочных, вибродемпфирующих и теплозащитных трехслойных конструкций с применением перспективных композиционных материалов решены многие теоретические задачи и проведены предварительные эксперименты.

В ближайшее время планируются испытать ряд спроектированных конструкций, которые являются наиболее перспективными для дальнейших опытно конструкторских работы, патентования и внедрения. По мнению авторов проекта, их новые решения могут быть востребованы у потенциальных заказчиков — производителей авиационной и ракетно-космической техники. Так как, предлагаемые методы проектирования и созданные на их основе конструкции могут быть использованы в производстве перспективных летательных аппаратов.