2026. Т. 33. № 3

Уважаемые коллеги, друзья!

Ключевые слова:

Выполнено расчетно-теоретическое прогнозирование эффективных упругих характеристик монослоя однонаправленного, ортогонально-армированного и квазиизотропного углепластика, применяемого в конструкции крыла. Эффективные характеристики однонаправленного углепластика определялись в рамках многомасштабного подхода с использованием аналитических моделей микромеханики композиционных материалов, а также численного моделирования представительного элемента объема в программных комплексах ANSYS Material Designer и MSC Digimat. Характеристики ортогонально-армированного и квазиизотропного углепластика рассчитывались на основе классической теории слоистых пластин и конечно-элементного моделирования в модуле ANSYS ACP PrePost. Проведено сравнение результатов, полученных аналитическими и численными методами, а также исследовано влияние схем армирования на эффективные характеристики углепластика. В рамках многомасштабного подхода исследования проводились на микро-, мезо- и макроуровне. Атомно-молекулярный уровень моделирования не рассматривался. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании и оптимизации конструкций из углепластиков для различных летательных аппаратов.

Ключевые слова: крыло летательного аппарата, углепластик на основе углеродной ленты, прогнозирование эффективных упругих характеристик на мезо- и микроуровне, численные и аналитические модели

Представлены результаты расчетно-экспериментальных исследований конструкции планера для обоснования нового подхода к обеспечению прочности на примере перспективного пассажирского самолета с интегральной компоновочной схемой и металлокомпозитной каркасной силовой схемой. В ходе проведения исследований обоснованы основные преимущества интегральной компоновки и новой силовой схемы в обеспечении ударной и статической прочности. Для подтверждения реализуемости и оценки эффективности предложенных инноваций приведены результаты расчетно-экспериментальных исследований запасов прочности и устойчивости металлокомпозитной конструкции натурного демонстратора центральной части планера перспективного магистрального самолета с интегральной компоновкой. Обосновано снижение массы конструкции планера с интегральной компоновкой до 10% по сравнению с конструкциями традиционных компоновочных и силовых схем.

Ключевые слова: интегральная компоновочная схема, металлокомпозитные стыки, однонаправленные композиты, сетчатые панели крыла, параметрические прочностные МКЭ-модели

Исследована устойчивость анизогридной круговой цилиндрической оболочки, прототипа отсека фюзеляжа летного демонстратора комплекса технологий сверхзвукового гражданского самолета, выполненного из композиционного материала. Результаты исследований прочности и устойчивости отсека получены на основе разработанной авторами методики, реализующей методы конечных элементов и линеаризации Ньютона–Канторовича для решения задач прочности и устойчивости дискретно-подкрепленных цилиндрических оболочек с учетом моментности и нелинейности их докритического напряженно-деформированного состояния. Выяснено влияние нелинейности деформирования, жесткости подкрепляющего набора, углов укладки подкреплений и толщины оболочки на устойчивость анизогридной композитной оболочки при неоднородном напряженно-деформированном состоянии.

Ключевые слова: отсек фюзеляжа самолета, сверхзвуковой пассажирский самолет, нелинейное исходное НДС, метод конечных элементов, анизогридные композитные оболочки, неоднородное нагружение

Предложен приближенный метод расчета устойчивости композитных стрингерных панелей с учетом малоразмерных дефектов. Рассмотрены варианты дефектов в виде повреждений обшивки, стрингера и отрыва стрингера от обшивки. Результаты расчетов по данному методу сравнивались с результатами, приведенными в литературе и полученными по методу конечных элементов. Проведены параметрические исследования влияния параметров стрингера и размеров зоны отрыва на устойчивость панели. 

Ключевые слова: расчет устойчивости, композитные подкрепленные панели, упрощенные модели локальных дефектов, отрыв стрингера от обшивки

Изложена методика проектировочного расчета жесткостных характеристик динамически подобной модели крыла по кессонной схеме. Расчетная модель базируется на балочной схематизации и классической теории слоистых пластин. Разработан алгоритм многовариантного подбора углов укладки и толщин пакета, обеспечивающий выполнение требований по изгибной и крутильной жесткости на ранних этапах проектирования. Выполнена верификация алгоритма путем сравнения с конечно-элементным моделированием на примере кессона модели крыла большого удлинения.

Ключевые слова: динамически подобная модель крыла, композиционные материалы, жесткостные характеристики крыла, проектировочный расчет кессона

Представлен процесс реинжиниринга с переходом на композиционный материал конструкционной модели крыла, выполненной в виде моноблочной модели, являющейся отъемной частью планера. Результат разработки новой конструктивно-силовой схемы сборочного элемента крыла, выполненного в качестве цельнокомпозитного фитингового узла, позволяет резко снизить трудоемкость при изготовлении, дальнейшей сборке и замене с целью ремонта «черного» углепластикового крыла при обеспечении заданных эксплуатационных показателей. 

Ключевые слова: углепластиковое «черное» крыло, несущая силовая схема, композитный летательный аппарат, моноблочная модель, цельнокомпозитный фитинговый узел, весовая отдача

Приведены результаты численно-экспериментального исследования влияния ортогональной прошивки на ударостойкость пластин и панелей из полимерного композиционного материала (ПКМ). В работе рассмотрены различные виды волокон прошивки: Toray T300, Dyneema SK75, Vectran T150, E-Glass, S-Glass.

Ключевые слова: полимерные композиционные материалы, ортогональная прошивка (сквозное армирование), низкоскоростное ударное нагружение, ударостойкость композитных конструкций, расслоение и межслоевая прочность, численное моделирование в LS-DYNA, конечно-элементный анализ повреждений, натурный эксперимент и валидация, типы армирующих волокон (углеродные, стеклянные, полиэтиленовые, жидкокристаллические), сравнительный анализ эффективности прошивки, авиационные композитные панели

В статье рассмотрены компактные прямоугольные предповерхностные дефекты типа расслоений в многослойных композитных панелях с учетом анизотропной (несбалансированной) несимметричной структуры. Для описания напряженно-деформированного состояния указанных дефектов использованы исходные соотношения наиболее общей математической модели, учитывающей мембранные, смешанные и изгибные жесткости. Рассматриваемые панели (дефекты) могут быть нагружены сжимающими и касательными потоками. В работе для компактных панелей получено аналитическое решение нелинейной задачи, причем прогиб в данном случае включает два члена, а с помощью метода Бубнова – Галеркина построена система нелинейных уравнений, связывающих действующую нагрузку и амплитуды прогиба. Записанная система уравнений позволяет проводить оценку нелинейного напряженно-деформированного поведения и критических напряжений для рассматриваемых предповерхностных компактных дефектов.

Ключевые слова: сжатие композитной панели, анизотропная несимметричная структура, геометрически нелинейное деформирование, предповерхностные дефекты

На основе обработки представленных в литературе данных проведена оценка применимости различных феноменологических моделей для описания экспериментальных зависимостей остаточных деформационных, прочностных и усталостных характеристик полимерных композиционных материалов от энергии предварительных ударных воздействий. Определены требования к функциям, применимым для аппроксимации экспериментальных зависимостей, рассмотрены четыре феноменологические модели, учитывающие существование порога чувствительности к удару и наличие остаточных механических характеристик при высоких энергиях удара. Определены границы характерных участков на диаграммах зависимости остаточных механических характеристик от энергии ударного воздействия. Для рассмотренного набора экспериментальных данных установлено, что целесообразно использовать модели на основе показательной функции и функции арктангенса.

Ключевые слова: полимерные композиционные материалы, низкоскоростной удар, остаточные механические характеристики, феноменологические модели, накопление повреждений

Рассматривается задача проектирования композитного безлейнерного баллона давления типа V, предназначенного для перспективных применений в авиационной технике. Актуальность исследования обусловлена необходимостью снижения массы бортовых систем хранения рабочих сред при одновременном обеспечении требуемой прочности, герметичности и безопасного характера разрушения конструкции. Выполнен проектировочный расчет баллона, в рамках которого определены основные геометрические параметры оболочки, меридиональный профиль днища, параметры зон намотки и характеристики армирования. Интегральные зависимости, используемые для описания геометрии профиля, реализованы численно, что позволило сформировать расчетную модель конструкции. Для проверки полученных аналитических результатов выполнено конечно-элементное моделирование напряженно-деформированного состояния баллона. Установлено, что в регулярной зоне оболочки уровень напряжений соответствует значениям, полученным на этапе проектировочного расчета, и не превышает допустимых пределов. При этом численное моделирование позволило выявить локальные концентраторы напряжений в зонах сбегов траекторий укладки, которые не учитываются в полной мере аналитической методикой. Показано, что при эксплуатационном давлении влияние данных концентраторов не является критическим, а возможное разрушение при превышении давления имеет локализованный характер, что соответствует безопасному механизму отказа с контролируемым сбросом давления. Полученные результаты подтверждают применимость предложенного расчетного подхода для предварительного проектирования композитных безлейнерных баллонов давления типа V.

Ключевые слова: композитный баллон давления, безлейнерный бак, баллон типа V, хранение сжатых газов.

В статье представлено аналитическое решение задачи по определению основной частоты колебаний трехслойной панели со стержневым пирамидальным заполнителем, защемленной по контуру. Решение получено на основе осредненных механических характеристик стержневого заполнителя с применением метода Галеркина для решения уравнений движения. В качестве базисных функций для аппроксимации деформированной формы панели использовались решения задачи изгиба защемленной с двух концов балки с учетом деформаций сдвига. Актуальность задачи обусловлена исследованием нового типа заполнителя для трехслойных панелей – стержневого. Данный тип заполнителя имеет высокие механические характеристики и потенциально перспективен в силовых аэрокосмических конструкциях. Основная частота колебаний служит важной характеристикой динамического поведения конструкции. С целью оценки правильности полученного решения проведена верификация при помощи конечно-элементных моделей. Согласно результатам верификации определен диапазон параметров заполнителя, в котором аналитическое решение оказывается достаточно точным. Приведены рекомендации для коррекции усредненных характеристик заполнителя с целью получения точного решения во всем диапазоне исследуемых параметров. Представленное решение может быть использовано при проектировании трехслойных панелей со стержневым заполнителем любого вида при определении соответствующих усредненных характеристик. При необходимости решение может быть легко модифицировано для применения к иным граничным условиям.

Ключевые слова: трехслойная панель, стержневой заполнитель, основная частота колебаний, метод Галеркина

Представлен метод снижения массы ферменных конструкций космических аппаратов путем повышения адгезионной прочности клеевых соединений «титан – углепластик» за счет лазерного текстурирования поверхности титановых законцовок. Показано, что слабым звеном соединения является граница «титан – клей» с прочностью 5–12 МПа из-за наличия пассивирующей оксидной пленки рутила. Теоретически обоснован выбор наносекундного лазерного излучения, обеспечивающего одновременно механическое формирование регулярного микрорельефа и химическую активацию поверхности. Экспериментально подтверждено повышение адгезионной прочности до 30 МПа, что позволяет пропорционально сократить длину зоны вклеивания титановой втулки в углепластиковую трубку при сохранении несущей способности. Выполнена количественная оценка массовой эффективности для ферменной конструкции рефлектора космического аппарата с 216 узлами: снижение массы составило 176 г, что составляет 5,1% от массы фермы. Расчетные оценки для других типоразмеров конструкций подтверждают устойчивость эффекта в диапазоне 4,5–5,0%, что свидетельствует о воспроизводимости и практической значимости предложенного технического решения.

Ключевые слова: ферменные конструкции космических аппаратов, клеевые соединения, лазерное текстурирование титана

В рамках настоящего исследования осуществлена отработка технологии изготовления звукопоглощающих конструкций (ЗПК) из полимерных композиционных материалов. Проведен анализ существующих методов изготовления ЗПК из полимерных композиционных материалов. Отмечены ограничения традиционных подходов при создании перспективных разновысотных заполнителей. В рамках работы разработана технология изготовления однослойной широкополосной ЗПК на основе разновысотного сотового заполнителя. Для обеспечения заданного объема ячеек спроектированы и изготовлены методом 3D-печати ограничители различной высоты. Представлены этапы сборки, заполнения ячеек, отверждения, приклейки обшивок с формированием клеевых галтелей и сверления перфорационных отверстий.

Ключевые слова: разновысотный сотовый заполнитель, звукопоглощающая конструкция, полимерные композиционные материалы, автоклавное формование, препрег углепластика, перфорация, технология сборки, авиационное двигателестроение

Рассмотрено технологическое совершенствование процесса изготовления лопасти винта вертолета из конструкционных полимерных композиционных материалов с применением внутренней формообразующей силиконовой оправки. Актуальность исследования определяется необходимостью повышения стабильности формования многослойных оболочечных деталей сложного аэродинамического профиля, для которых локальные нарушения контактного давления приводят к пористости, складкам, расслоениям и отклонениям геометрии. Проанализированы ограничения традиционной схемы с эластичной диафрагмой: зависимость качества от герметичности пресс-камеры, трудность равномерного уплотнения поверхностей двойной кривизны, повышенная энергоемкость и значительная трудоемкость подготовительных операций. В качестве технологического решения обосновано применение силиконовой оправки из термостойкого эластомерного компаунда, создающей при нагреве распределенное давление за счет объемного расширения материала. Сформирована последовательность изготовления, включающая входной контроль материалов, получение препрега, раскрой заготовок, сборку пакетов, предварительное уплотнение, окончательное формование, механическую обработку и контроль качества. Выполнена сравнительная оценка традиционной и предлагаемой технологий по дефектности, энергоемкости, ресурсу оснастки, трудоемкости и продолжительности производственного цикла. Показано, что применение силиконовой оправки позволяет повысить воспроизводимость аэродинамического контура, снизить вероятность внутренних дефектов и уменьшить эксплуатационные затраты при изготовлении лопастей из полимерных композиционных материалов.

Ключевые слова: усовершенствованная технология изготовления, композиционные материалы, лопасть винта вертолета, внутренняя формообразующая силиконовая оправка, автоклавное формование, пресс-форма, препрег, технологическое давление, контроль качества

В статье рассматривается влияние технологических параметров изготовления и технологической оснастки на прочностные характеристики силовых конструкций из полимерных композиционных материалов. Приводятся расчетные данные и сравнение с опубликованными экспериментальными данными, полученными на модельных образцах решеток реверсивных устройств авиационных двигателей. Представлены обобщающие данные о степени влияния технологических параметров и оснастки на эксплуатационные прочностные характеристики углепластиковых решеток реверсивных устройств.

Ключевые слова: решетки реверса, композитное реверсивное устройство, технология композитных конструкций

В работе представлена методика определения ненасыщенной проницаемости композитных преформ как функции коэффициента наполнения в рамках одного эксперимента. Предлагаемый подход позволяет сократить количество необходимых образцов и трудозатраты при испытаниях, что особенно актуально при работе с 3D-ткаными преформами. Методика основана на сопоставлении результатов испытаний ненасыщенной и насыщенной проницаемости одного и того же образца с последующим пересчетом данных через коэффициент пропорциональности. Апробация проведена на композитных 3D-тканых преформах. Результаты показали, что полученные значения ненасыщенной проницаемости удовлетворительно совпадают со стандартными методами испытаний, при этом погрешность не превышает 11,7%. Разработанный подход обеспечивает значительное упрощение экспериментальной процедуры и может быть использован для оптимизации расчетов при прогнозировании процессов пропитки в технологии трансферного формования.

Ключевые слова: ненасыщенная проницаемость, насыщенная проницаемость, коэффициент наполнения композиционного материала, методики испытаний проницаемости преформы, трансферное формование (RTM), 3D-тканые композитные преформы, закон Дарси, пропитка связующим

Изготовление образцов для прочностных испытаний в обеспечение сертификации авиационных конструкций, в том числе из полимерно-композиционных материалов, требует разработки технологии фрезерования на оборудовании с ЧПУ, обеспечивающей необходимые размерную точность и качество поверхности, а также отсутствие в образцах повреждений, которые могут оказать влияние на результаты проводимых экспериментов. В научно-производственном комплексе ЦАГИ для разработки технологии фрезерования применяется инструментальный программно-аппаратный комплекс на базе динамометрической платформы ф. Kistler (Швейцария).
В статье предлагается алгоритм специальной обработки результатов измерений усилий резания с использованием динамометрической платформы, обеспечивающий повышение информативности технологического эксперимента за счет увеличения частоты дискретизации получаемого сигнала. Применение алгоритма позволило исключить влияние посторонних эффектов, возникающих при оцифровке сигнала, и повысить точность измерения силы резания, по сравнению с алгоритмами, применяемыми в составе программного комплекса Kistler Dynoware, поставляемого вместе с динамометрической платформой. Алгоритм реализован в виде отдельного модуля специализированного программного комплекса для обработки результатов измерений усилий резания.

Ключевые слова: образцы для прочностных испытаний, высокоскоростное фрезерование, механическая обработка полимерно-композиционных материалов, измерение силы резания при фрезеровании, динамометрическая платформа, обработка результатов измерений сил резания

Статья посвящена исследованию аддитивно изготавливаемых прототипов скаффолдов из полимерного материала методом послойной укладки (FDM-печать). Анализируются физические характеристики и упругие свойства разработанных пористых структур на основе скелетных и пластинчатых трижды периодических минимальных поверхностей из полилактида PLA+. Определение упругих и прочностных свойств образцов скаффолдов с заданными значениями пористости осуществлялось путем проведения испытаний на одноосное сжатие на открытом воздухе. Проведено сравнение с теоретическими значениями эффективных упругих модулей, полученных на ячейке периодичности метаматериала на основе трижды периодических минимальных поверхностей.

Ключевые слова: скаффолды, трижды периодические минимальные поверхности, аддитивные технологии, сжатие, модуль упругости

Возможность применения полимерных композиционных углепластиков в конструкциях сверхзвукового пассажирского самолета требует оценки способности элементов конструкций планера сохранять эксплуатационные характеристики при детерминированных и случайных тепловых и механических нагрузках. В результате этих действий происходят циклические расширения и сжатия углепластиков, которые вызывают внутренние механические напряжения. Это приводит к образованию микротрещин внутри элементов углепластика и является причиной значительного снижения прочности материалов и эксплуатационной надежности самолета. Для компьютерного моделирования термических напряжений углепластика в условиях перепадов температуры рассматривается одномерная несвязанная задача термоупругости, представляющая собой систему двух краевых задач в условиях эксплуатационных параметров режима полета и воздушной среды за бортом самолета. Экспериментально температурный профиль полета моделировался в климатической камере СМ–60/90-500 ТВХ. После выполнения определенного количества термоциклов проводили испытания элементов углепластика АСМ 102-С130UD на прочность и теплостойкость методом продольного изгиба. По техническому заданию на прочность для демонстратора комплекса технологий сверхзвукового гражданского самолета ресурс назначен 100 полетов и соответственно 100 термоциклов при испытаниях. Оценка изменений прочности и теплостойкости в исследованном диапазоне термоциклирования до 120 термоциклов позволяет предположить о возможном применении данного углепластика при температуре от 220 до 420 К.

Ключевые слова: моделирование случайных термических напряжений углепластика, одномерная несвязанная задача термоупругости, метод продольного изгиба прочностных испытаний, испытания на прочность и теплостойкость термоциклирования

Рассматривается проблема наземных частотных испытаний легких конструкций, таких как динамически подобные модели (ДПМ) лопастей винтов из полимерных композиционных материалов, заключающаяся в наличии искажений измеряемых характеристик из-за присоединенных масс, дополнительной жесткости и демпфирования, вносимых контактными электродинамическими возбудителями вибрации. Для оценки такого влияния выполнены частотные испытания и проведено сравнение характеристик, зарегистрированных разными методами: контактное возбуждение и измерение, бесконтактное возбуждение с бесконтактным измерением. Экспериментально подтверждено, что применение контактных средств испытаний приводит к росту значений резонансных частот за счет увеличения жесткости системы, причем картины резонансных форм колебаний не изменяются. Сделан вывод о том, что технология полностью бесконтактных наземных частотных испытаний, основанная на совместном применении устройства бесконтактного возбуждения колебаний и лазерного доплеровского виброметра, позволяет исключить паразитное влияние средств возбуждения и измерения.

Ключевые слова: наземные частотные испытания, возбудители вибрации электродинамического типа, лопасть винта, полимерные композиционные материалы, резонансная частота колебаний

Сохранение функциональных свойств конструкций из полимерных композиционных материалов в значительной степени определяется сопротивлением матрицы поперечному растрескиванию. Традиционные методы неразрушающего контроля обладают недостаточной чувствительностью для обнаружения таких повреждений, в связи с чем разработка методов расчетной оценки растрескивания матрицы на этапе проектирования представляет несомненную актуальность. В настоящей работе представлен вычислительный комплекс, базирующийся на модели дискретной механики разрушения (ДМР) и интегрированный в среду конечно-элементного анализа Abaqus/CAE®. Результаты параметрических расчетов демонстрируют, что предельная деформация растрескивания, скорость накопления трещин и характеристики насыщенного поврежденного состояния существенно зависят от толщины пакета и степени группировки слоев с одинаковой ориентацией. Показано, что расчетные значения деформации растрескивания для многослойного пакета значительно превышают консервативную величину предельной поперечной деформации отдельного монослоя. Таким образом, предлагаемый метод представляется рациональным средством снижения консервативности выбора значений толщин полимерных композиционных материалов (ПКМ), что обеспечивает возможность оптимизации массы композитных конструкций без ущерба для безопасности конструкции.

Ключевые слова: растрескивание полимерной матрицы, дискретная механика разрушения композиционных материалов, предельная деформация растрескивания, пользовательская подпрограмма материала UGENS, расчетный комплекс ДАР-МАИ