Расчетно-теоретическое прогнозирование эффективных упругих характеристик углепластика для конструкции крыла летательного аппарата

Проектирование элементов летательных аппаратов из полимерных композиционных материалов


Авторы

Вай Я. У.*, Михайловский К. В.**

ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана», 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, с. 1

*e-mail: waiyanoo6977@gmail.com
**e-mail: mikhaylovskiy@bmstu.ru

Аннотация

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

Список источников

  1. Берлин А.А., Ассовский И.Г. (ред.). Перспективные материалы и технологии для ракетно-космической техники: Сборник статей. М.: ТОРУС ПРЕСС, 2007. 456 с.

  2. Донецкий К.И., Быстрикова Д.В., Караваев Р.Ю. и др. Полимерные композиционные материалы для создания элементов трансмиссий авиационной техники (обзор) // Труды ВИАМ. 2020. № 3 (87). С. 82–93. DOI: 10.18577/2307-6046-2020-0-3-82-93

  3. Советова Ю.В., Сидоренко Ю.Н., Скрипняк В.А. Многоуровневый подход к определению эффективных свойств композита с учетом повреждаемости // Физическая мезомеханика. 2013. Т. 16. № 5. С. 59-65.

  4. Wang Y, Huang ZM. Analytical micromechanics models for elastoplastic behavior of long fibrous composites: a critical review and comparative study. Materials. 2018;11(10):1919. DOI: 10.3390/ma11101919

  5. Yu S, Zhang D, Qian K. Numerical analysis of macro-scale mechanical behaviors of 3D orthogonal woven composites using a voxel-based finite element model. Applied Composite Materials. 2019;26(7):65–83. DOI: 10.1007/s10443-018-9707-z

  6. Белоусов И.С., Железнов Л.П., Бурнышева Т.В. Моделирование испытаний на сжатие слоистых композитов с дефектами в виде расслоения // Вестник Московского авиационного института. 2024. Т. 31. № 1. С. 93-104.

  7. Wriggers P, Hain M. Micro-meso-macro modelling of composite materials. In book: Oñate E, Owen R. (eds) Computational Plasticity. Computational Methods in Applied Sciences. Dordrecht: Springer, 2007. Vol 7. p. 105-122. DOI: 10.1007/978-1-4020-6577-4_7

  8. Вай Я.У, Михайловский К.В. Оптимизация параметров крыла из полимерного композиционного материала легкого самолета и анализ возможных областей появления дефектов. Часть 1. Расчет оптимальной конструктивно-силовой схемы // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2025. № 9. С. 103–112.

  9. Тудупова Т.А., Бобрович С.В. Расчетно-экспериментальная оценка ресурсных характеристик композитных панелей крыла самолета транспортной категории // Вестник Московского авиационного института. 2020. Т. 27. № 4. С. 21-29. DOI: 10.34759/vst-2020-4-21-29

  10. Пестренин В.М., Пестренина И.В., Ландик Л.В., и др. Представительный объем и эффективные материальные характеристики периодических и статистически однородно армированных волоконных композитов // Вестник ПНИПУ. Механика. 2023. № 1. С. 103–110. DOI: 10.15593/perm.mech/2023.1.10

  11. Torayca™ T700S Carbon Fiber Data Sheet, https://toray-cfe.com/wp-content/uploads/2025/02/Torayca-T700S-Technical-Data-Sheet.pdf

  12. Torayca™ Carbon Fiber Resources, https://www.toraycma.com/resources/

  13. Эпоксидный компаунд «Этал Карбон Light» (60 мин), https://graphite-pro.ru/materials/эпоксидный-компаунд-этал-257-карбон-lightEpoxy compound “Etal Carbon Light” (60 min)

  14. Kassem GA. Micromechanical material models for polymer composites through advanced numerical simulation techniques. PhD thesis. Aachen Higher Technical School of Rhineland-Westphalia in Aachen; 2009. 146 p. (In German).

  15. Муйземнек А.Ю., Иванова Т.Н., Карташова Е.Д. Сопоставление результатов экспериментального и расчетного определения эффективных характеристик упругих свойств полимерных слоистых композитов из угле- и стеклотканей // Вестник ПНИПУ. Механика. 2021. № 2. С. 88–105. DOI: 10.15593/perm.mech/2021.2.09

  16. Ferretti P, Santi GM, Leon-Cardenas C, et al. Representative volume element (RVE) analysis for mechanical characterization of fused deposition modeled components. Polymers. 2021;13(20):3555. DOI: 10.3390/polym13203555

  17. El Moumen A, Kanit T, Imad A. Numerical evaluation of the representative volume element for random composites. European Journal of Mechanics – A/Solids. 2021;86:104181. DOI: 10.1016/j.euromechsol.2020.104181

  18. Chen F, Yao W, Jiang W. A macro-meso correlation model for numerical simulation of CFRP tensile notched strength. Mathematical Problems in Engineering. 2020;2020:5812912. DOI: 10.1155/2020/5812912

  19. Giner E, Vercher A, Marco M, et al. Estimation of the reinforcement factor ξ for calculating the transverse stiffness E2 with the Halpin-Tsai equations using the finite element method. Composite Structures. 2015;124:402–408. DOI: 10.1016/j.compstruct.2015.01.008

  20. Лихачев В.А., Малинин В.Г. Структурно-аналитическая теория прочности. СПб.: Наука, 1993. 470 с.Likhachev VA, Malinin VG. Structural and analytical theory of strength. St. Petersburg: Nauka; 1993. 470 p. (In Russ.).

  21. Rayhan SB, Rahman MM. Modeling elastic properties of unidirectional composite materials using Ansys Material Designer. Procedia Structural Integrity. 2020;28(5):1892-1900. DOI: 10.1016/j.prostr.2020.11.012

  22. Первушин Ю.С., Жернаков В.С. Проектирование и прогнозирование механических свойств однонаправленного слоя из композиционного материала: Учеб. пособие. Уфа: УГАТУ, 2002. 127 с.

  23. Hexagon Digimat, https://hexagon.com/products/digimat

  24. Gay D, Hoa SV, Tsai SW. Composite materials: design and applications. Boca Raton: CRC Press; 2002. 552 p.

  25. Zagainov GI, Lozino-Lozinski GE. (eds) Composite materials in aerospace design. London: Chapman & Hall, 1996. 460 p.

  26. Kaw AK. Mechanics of composite materials. 2nd ed. Boca Raton: CRC Press, 1997. 352 p.

  27. Кусяков А.Ш. Моделирование композитных пластин и оболочек: Монография. Пермь: Изд-во ПГНИУ, 2020. 188 с.Kusyakov ASр. Modeling of composite plates and shells. Perm: PGNIU; 2020. 188 p. (In Russ.).

  28. Зиновьев П.А., Смердов А.А. Оптимальное проектирование композитных материалов: Учеб. пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. 103 с.

  29. Staab GH. Laminar composites. Boston: Butterworth-Heinemann; 1999. 328 p.

  30. Вай Я.У., Михайловский К.В. Моделирование напряженно-деформированного состояния панелей из полимерных композиционных материалов легкого самолета при ударном воздействии от столкновения с птицей // Инженерный журнал: наука и инновации. 2026. № 3(171):6.Wai Yan

  31. Вай Я.У., Михайловский К.В. Моделирование напряженно-деформированного состояния панели из полимерных композиционных материалов при воздействии однократной ударной нагрузки и оценка областей возникновения дефектов // Вестник Московского авиационного института. 2025. Т. 32. № 1. С. 112–123.

  32. Хеин З.М., Йе Т.Х., Киреев В.А. Сравнение методик определения упругих и прочностных характеристик полимерных композиционных материалов // Труды МФТИ. 2018. Т. 10. № 2(38). С. 136–145.

  33. Müzel SD, Bonhin EP, Guimarães NM, et al. Application of the finite element method in the analysis of composite materials: a review. Polymers. 2020;12(4):818. DOI: 10.3390/polym12040818

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2026