Мы рассказываем сегодня о гранте РНФ «Оценка влияния сложного напряжённого состояния на кинетику деформирования и разрушения полимерных композитов с концентраторами напряжений при статическом и динамическом нагружении».
Руководит проектом доктор технических наук, профессор кафедры технической механики ЮУрГУ, член Российского нанотехнологического общества Сергей Сапожников.
Научная школа профессора Сапожникова известна прежде всего благодаря механике композитных материалов, точнее динамике их деформирования и разрушения. Обычный студент Политеха в этом случае скажет «сопромат», а мы уточним – мезомеханика.
Композит – материал из множества компонентов. Всем известные примеры: железобетон, текстолит, металлокерамика. Каждый из материалов привносит свои особые свойства, обеспечивая необходимую прочность, жёсткость, тепло- и электропроводность и так далее.
Учёные, создающие композиты, казалось бы, совмещают несовместимое. Но будут ли различные слои композита вести себя вместе так же, как вели бы по отдельности? Вряд ли. Поэтому важно изучить их взаимодействие – прежде всего в местах концентрации механических напряжений. Примеры таких особых точек – отверстия, места крепления.
Ограничиться одними лишь экспериментальными измерениями – значит не дойти до сути проблемы. Поэтому исследователи пытаются понять, что происходит с волокнами и полимерной матрицей композитного материала. В технических науках понять – значит построить корректную математическую модель. В этом учёным помогают известные компьютерные программы, позволяя создавать 3D-структуры (Solidworks, SpaceClaim), а также комплексы, реализующие метод конечных элементов (ANSYS, LS-Dyna и др.) для оценки деформирования и разрушения.
Статическое нагружение – воздействие постоянное. А что может быть динамическим нагружением? Это удар, то есть кратковременный контакт тел.
Профессор Сергей Сапожников и его коллеги изучают в том числе и ультрамалоцикловое воздействие. Это значит, что нагружение происходит не миллионы, а лишь сотни или даже десятки раз.
Когда возникают такие задачи? Например, есть возвращаемые ступени космических ракет-носителей, беспилотные летательные аппараты. Их срок жизни небольшой. К слову, система Space Shuttle в США была рассчитана лишь на 100 полётов. В этих условиях из материалов нужно выжать всё, что можно, но обеспечить необходимую долговечность. На первый план здесь выступает стоимость вывода на орбиту 1 кг груза. Как говорится, соотношение «цена-качество».
На экране компьютера появляется график процесса нагружения: нагрузка повышается, растут деформации, затем нагрузка снижается, вновь возрастает, образуется петля, накапливаются деформации. Площадь этой петли связана с рассеянием энергии и возможным перегревом, а деформации – с приближением к разрушению. Задача исследователей найти такие «петли», которые оптимально соответствуют требованиям, предъявляемым к композиту, выяснить пределы, до которых конструкция будет работать надёжно.
Сверять расчетные деформации с реальными им помогает метод корреляции цифровых изображений (DIC), а отделять механизмы микроповреждений в композите – метод акустической эмиссии. Большие дефекты типа расслоений они изучают с помощью тепловизионных приборов. В общем – мультиинструментализм, как в хорошем оркестре!
Как сказано в заявке на грант, результаты разработок могут быть полезны при проектировании «сверхзвукового пассажирского самолета, авиационных турбовентиляторных двигателей, гражданского самолета МС-21, многоразовой одноступенчатой ракеты-носителя "Корона", сосудов давления для высокотехнологичного наземного транспорта».
Однако подчеркнём, задача группы профессора Сапожникова – не изготовить сверхзвуковой самолёт, не выписать рецепт «волшебного» композита, а прежде всего создать фундамент - механико-математическую «начинку» – методы, с помощью которых инженеры, работающие с композитными материалами, смогут воплощать в жизнь конкретные чудеса.
Работа по гранту началась в 2023 году, завершится в 2025-м. Уже сейчас результаты исследований публикуются в высокорейтинговых журналах типа Composite Structures, Mechanics of Composite Materials, Physical Mesomechanics, Композиты и Наноструктуры и других международных изданиях. Конечно, данный проект – лишь часть фундаментального направления, которое развивает школа профессора Сапожникова. Работа этого научного коллектива поддерживается грантами РНФ с самого основания фонда – с 2014 года, до этого были гранты РФФИ. История исследований уходит корнями в 1990-е, когда Сергей Борисович защищал докторскую, в 1980-е – когда он работал над кандидатской диссертацией.
Школа не называлась бы школой, если бы не воспитывала поколения молодых учёных. В коллективе, работающем над данным грантом, есть аспиранты Кирилл Гуссейнов, Егор Лешков, Никита Оливенко и кандидаты технических наук Олег Кудрявцев, Александр Безмельницын, Михаил Жихарев и Анастасия Игнатова. Аспиранты в ходе работы над грантом планируют защитить кандидатские диссертации, а кандидаты наук подумывают о докторских.
«Семь раз отмерь – один отрежь», – учит старая поговорка. А в науке приходится не семь, а семьдесят семь раз посчитать, измерить, и только потом резать, то есть публиковать статьи, делать доклады на конференциях, защищать диссертации.
Научное исследование – дело непростое, требует от учёного обширных знаний, таланта для генерации новых идей, упорства и смелости в стремлении к цели.
«Но гранты РНФ потому и любят смелых» – завершает с улыбкой профессор Сапожников.
Остап Давыдов; Фото: Сергей Качко
