В ПНИПУ оценили факторы, влияющие на разрушение авиационных конструкций

Исследование влияния разной энергии ударов по используемым в ответственных авиационных конструкциях полимерным углепластикам на их дальнейшую способность не поддаваться разрушению провели ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), 19 марта сообщает пресс-служба вуза.

Композитные материалы на основе полимерной смолы с добавлением углеродных волокон в настоящее время широко используются в аэрокосмической, автомобильной промышленности и морском транспорте. В том числе из них изготавливают ответственные конструкции, которые в процессе эксплуатации постоянно подвергаются ударам.

Например, у самолета может происходить столкновение с ледяными частицами в атмосфере, жесткое приземление и др. Такое воздействие ударных нагрузок необходимо учитывать при конструировании критически важных деталей, поскольку оно может вызвать микроповреждения материала, которые снижают его надежность.

Чтобы обеспечить конструкторов этих отраслей необходимыми данными для расчетов прочности деталей из полимерных углепластиков, ученые ПНИПУ провели ряд экспериментов.

Результаты исследования они представили в статье «Влияние предшествующего воздействия на механические свойства конструкционного полимера, армированного углеродным волокном, при межслоевом сдвиге» (Effect of a Preliminary Impact on the Mechanical Properties of a Structural Carbon Fiber Reinforced Polymer during Interlaminar Shear), опубликованной в журнале Springer Nature за 2025 год.

При ударе типичным повреждением детали из слоистых композитов является растрескивание. Для углепластиков оно считается критичным, так как распространяется вдоль волокон, вызывая их разрыв и расслоение материала при воздействии сильного напряжения. Это может привести к разрушению конструкции и прилегающих к ней деталей, что повышает риск выхода из строя всего механизма, например, авиадвигателя.

Для оценки ресурса конструкций проводят изучение процессов деформации композитов. Испытания материалов на прочность проводятся с использованием современных методов контроля, таких как акустическая эмиссия и корреляция цифровых изображений.

В первом случае с помощью датчиков фиксируются сигналы упругих волн, возникающих при повреждении материала. Во втором случае развитие структурных дефектов обнаруживают с помощью высокоточных камер. Однако комплексное исследование полимерных углепластиков после ударов с разной энергией на этих установках было проведено впервые.

В ходе экспериментов ученые Пермского политеха изучали реакцию образцов полимерного углепластика в виде коротких балок размером 6 × 12 × 42 мм на предварительное ударное воздействие.

Образцы ударяли падающим грузом с энергией 1, 3, 5 и 6 Джоулей (Дж). Далее ученые проверяли, как такие воздействия повлияли на способность слоев композита смещаться относительно друг друга. Для этого к образцам исследования прикрепили датчики, которые по звуковым волнам указывали место и характер нанесенных повреждений структуры композита.

Младший научный сотрудник Центра экспериментальной механики ПНИПУ Екатерина Чеботарева рассказала о результатах исследования:

«Мы выявили, что чем выше предварительная нагрузка, тем больше сигналов выдают анализаторы и тем серьезнее ущерб. Типы повреждений „звучат“ на определенных частотах. Низкие (50–130 кГц) показали, что материал начал трескаться внутри, средние (270–320 кГц) — что слои отделились друг от друга, а высокие (670–750 кГц) — что волокна композита разорвались».

Эти данные свидетельствуют, что удары с энергией 1 и 3 Дж не оказывают практического влияния на прочность исследованного материала. Но удар с энергией 5 Дж становится критическим — устойчивость к сдвигу слоев снижается на 50%, становясь опасной.

Таким образом, можно утверждать, что жесткость, несущая способность и устойчивость к сдвигу слоев полимерных композитов сохраняются при невысоких ударных воздействиях, но более сильное воздействие на конструкцию резко увеличивает вероятность ее деформации в процессе эксплуатации.

Давая для различных отраслей промышленности более полную информацию о поведении полимерных углепластиков при ударных нагрузках, исследование ученых ПНИПУ поможет разрабатывать более надежные изделия из этих материалов, что снизит риск разрушения ответственных конструкций.