В НГУ разработан конструктор нелинейных моделей композиционных материалов

Ученые Центра компетенций Национальной технологической инициативы (НТИ) по направлению «Моделирование и разработка новых функциональных материалов с заданными свойствами» (ЦНФМ) на базе НГУ разработали конструктор нелинейных моделей композиционных материалов. В настоящее время готов макет конструктора и прототипы его отдельных модулей, которые проходят тестирование. Об этом CNews сообщили представители НГУ.

Новое программное обеспечение позволит инженерам строить высокоточные модели, которые учитывают такие типы нелинейного поведения материалов, как вязкоупругость, упругопластичность, накопление повреждений, наведённая анизотропия. Генерируемые конструктором компьютерные модели позволят более рационально использовать прочностные резервы функциональных материалов. Разработка найдет применение в авиастроительной и двигателестроительной отраслях, нефтедобывающей промышленности и медицине. Конструктор разработан при финансовой поддержке Фонда НТИ.

«При компьютерном моделировании деформирования и разрушения какого-либо сложного узла или механизма, недостаточно создать геометрическую модель. Необходимо «объяснить» компьютерной программе, из каких материалов создана моделируемая конструкция и какими свойствами эти материалы обладают. Долгое время инженеры рассчитывали процессы по простейшим линейным моделям, поскольку нелинейные модели — это гораздо более сложный, но при этом и более современный подход. Важно, что нелинейные модели существенно более точные, чем линейные. Они позволяют более рационально использовать прочностные резервы материала, а благодаря этому — снизить стоимость и массу изделия, повысить конкурентоспособность продукта», — сказал об актуальности разработки Алексей Шутов, д.ф.-м.н. (Dr. habil.), ведущий научный сотрудник Центра новых функциональных материалов НГУ.

Примером линейной модели является закон Гука, который всем известен из школьной программы. Закон Гука гласит, что деформация, возникающая в упругом теле, прямо пропорциональна нагрузке, приложенной к этому телу. Другими словами: чем сильнее мы тянем пружину, тем больше она удлиняется. Проблема в том, что высоконагруженные материалы ведут себя нелинейно: они могут пластифицироваться, ползти, упрочняться или наоборот накапливать повреждения; материалы как бы запоминают, что с ними происходило в прошлом. Это уже более сложные эффекты, которые слабо представлены в программе стандартных инженерных курсов и которые невозможно описать в рамках линейных моделей. При этом полноценные нелинейные прочностные расчёты — это прерогатива ученых, которые занимаются механикой твердого тела — междисциплинарной областью на стыке материаловедения, механики и вычислительных методов.

«Идея нашего программного обеспечения состоит в том, чтобы сделать эти компетенции доступными для инженеров, чтобы те процессы и те технологические этапы, которые требуются для построения, настройки и внедрения нелинейной модели, были автоматизированы. Сначала наш Конструктор создаёт сигнатуру нелинейной модели — её принципиальное описание. Далее конструктор позволяет «подцепить» экспериментальные данные, по которым модель настраивается и проверяется её предсказательная способность. После калибровки генерируется вычислительный алгоритм, реализующий модель на языке C++. Созданный алгоритм, в свою очередь, уже на уровне исполняемого кода встраивается в вычислительные комплексы, с помощью которых анализируется прочность изделий. К таким вычислительным комплексам относятся Ansys, MSC.Marc, Abaqus, “Логос”», — сказал Алексей Шутов.

Конструктор моделей, разработанный в НГУ, также решает и образовательные задачи — повышает уровень компетенций и уровень культуры в области нелинейного моделирования.

«Наш конструктор включает интерактивный справочник по моделям. Пользователь может задать параметры задачи, а интерактивный справочник предложит ему, какой класс моделей нужно взять для решения конкретной задачи, какие экспериментальные данные нужны для калибровки и на что инженер может рассчитывать, когда он такую модель применит», — сказал Алексей Шутов.

В строительстве и машиностроении есть допустимые коэффициенты запаса, закладываемые при проектировании конструкций. Большой коэффициент запаса — это расплата за незнание факторов, которые влияют на работу конструкции. Нелинейные модели, сгенерированные Конструктором, позволяют делать более точные расчёты, и, как следствие, изделия могут проектироваться с меньшим коэффициентом запаса. Это особенно важно для аэрокосмической отрасли, где ключевым моментом является вес конструкции.

Построение более точных нелинейных моделей актуально и для производителей авиадвигателей (проектирование лопаток турбин и других высоконагруженных деталей), поскольку в условиях конкуренции основное направление — это уменьшение веса с одновременным увеличением экономичности, надёжности и мощности двигателя.

«Инженеры имеют мало опыта работы с современными перспективными материалами, у них зачастую нет достаточного объёма экспериментальных данных. Набирать такой опыт с помощью физических испытаний и экспериментов — это дорогой и долгий процесс. Например, для внедрения композита на основе карбида кремния необходимо понять, как он будет себя вести при определенной температуре в самых разных сценариях нагружения, какой у него будет ресурс, как быстро он будет деградировать при появлении зазубрины или трещины. Для решения этих задач нужно компьютерное моделирование и цифровые двойники, а значит и здесь тоже нужны высокоточные нелинейные модели», — сказал Алексей Шутов.

Конструктор, разработанный в НГУ, можно использовать не только для моделирования процессов, которые будут происходить с уже имеющимися материалами, но и для дизайна новых материалов. Для этого в Конструкторе есть подмодуль — это так называемые суррогатные модели представительных объёмных элементов. По сути, предусмотрена возможность строить полноценные цифровые двойники, явно учитывающие микроструктуру композиционного материала. Представительные объёмные элементы позволяют по свойствам отдельных фаз предсказывать механические характеристики новых материалов, которые ещё не получены и не испытаны, а суррогатные модели в сотни тысяч раз ускоряют вычисления.

«Мы видим большую перспективу и в области биомеханики. Например, в Институте химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН активно работает группа Павла Петровича Локтионова, которая создаёт протезы кровеносных сосудов. С точки зрения механики, это высокотехнологичные изделия из функционально-градиентных материалов. Для протеза важно рассчитать механические характеристики: с одной стороны, он не должен быть слишком жестким, иначе возникнут проблемы с приживаемостью, а с другой стороны, протез не может быть слишком податливым, иначе он потеряет устойчивость и возникнет аневризма. Таким образом, нужно подобрать оптимальные свойства протеза, для чего полезна математическая модель композиционного материала, из которого производится протез. С прицелом на решение таких важных прикладных задач и создавался наш конструктор», — сказал Алексей Шутов.