Разработка новых численных методов повышенной точности для расчета и оптимального проектирования слоистых, гибридных и анизогридных композитных конструкций и создание на их основе цифрового двойника гибридного металлокомпозитного бака высокого давления, масштабируемого как по внутреннему объему и весу, так и по нагрузкам начального разрушения

Период реализации проекта: 01.2022 – 12.2026
Исполнитель: НГУ
Руководитель проекта: д.ф.-м.н., профессор кафедры математического моделирования механико-математического факультета НГУ, главный научный сотрудник Центра компетенций НТИ по новым функциональным материалам Голушко Сергей Кузьмич

Плановый результат

В результате реализации проекта будут созданы две технологии:

  1. Технология расчета прочности и жесткости слоистых, гибридных и анизогридных композитных конструкций;
  2. Технология оптимального и рационального проектирования слоистых композитных конструкций.

Технологии будут основаны на разработке новых и адаптации существующих численных методов, обладающих высокой точностью и быстрым временем счета, пригодных для расчета прочности и жесткости, а также оптимального и рационального проектирования современных композитных и гибридных конструкций, анализ поведения которых связан с необходимостью решения жестких систем дифференциальных уравнений высокого порядка с малыми параметрами при старших производных. Особую значимость такие технологии приобретают при решении многокритериальных задач оптимального проектирования с ограничениями в виде равенств и неравенств, требующих многократного решения прямых задач расчета напряженно-деформирования состояния композитных конструкций с варьированием различных оптимизационных параметров.
Пилотным продуктом, созданным на базе данных технологий, будет цифровой двойник металлокомпозитного бака высокого давления (МКБВД), масштабируемый как по внутреннему объему и весу, так и по нагрузкам начального разрушения. Металлокомпозитные баки высокого давления различных типов и различных геометрических форм типов широко используются, в частности, в космической технике, а именно в реактивных двигателях систем коррекции космических аппаратов.

Текущий результат

Создано 12 РИД, из них 12 ноу-хау.

  • Проведен анализ литературных источников и нормативно-технических документов по научно-технической проблеме расчета и оптимального проектирования слоистых, гибридных и анизогридных композитных конструкций;
  • Выполнен расчет элемента композитного крыла самолета, в части создания конечно-элементной модели буферного отсека хвостовой части крыла и расчета конечноэлементной модели на заданные нагрузки;
  • Проведен международный патентный поиск, исследованы тенденций развития и построен патентный ландшафт по устройствам металлокомпозитных баков и сосудов высокого давления. Получены разрешающие системы дифференциальных уравнений, описывающие деформирование слоистых, гибридных и анизогридных КК;
  • Выполнен подетальный расчётов на прочность буферного отсека хвостовой части композитного крыла на основании разработанной конечно-элементной модели.
Потенциальные потребители и перспективы коммерциализации результатов проекта
  1. Производители аэрокосмической техники — Снижение веса, повышение прочности и жесткости, сокращение времени разработки и постановки на производство материалов и конструкций для БВС и самолётов
  2. Компании рынка Маринет, Энерджинет, Технет — Сокращение сроков разработки и постановки на производство новых конструкций композитных и гибридных баков для хранения и перевозки сжиженного природного газа (СПГ) на танкерах
  3. Производители оборудования и композитных конструкций для Арктики — Сокращение сроков разработки и постановки на производство новых композитных и гибридных материалов и конструкций резервуаров, трубопроводов, дорожных покрытий для Крайнего Севера и Арктики

В настоящее время проблема решения обратных оптимизационных задач для композитных и гибридных конструкций ответственного назначения полноценным образом не решена. Применение конечно-элементного моделирования, широко используемого при решении прямых задач расчета прочности и жесткости композитных конструкций, практически невозможно при решении обратных оптимизационных задач из-за большого числа варьируемых параметров и огромных вычислительных затрат.
В результате реализации проекта, на основе разработанных технологий решения прямых задач расчета прочности и жесткости слоистых, гибридных и анизогридных композитных конструкций, а также обратных задач оптимального и рационального проектирования слоистых композитных конструкций с использованием методов многокритериальной численной оптимизации, будет создан специализированный комплекс прикладных программ для ЭВМ. Одна из возможных бизнес-моделей коммерциализации результатов проекта – защита результатов интеллектуальной деятельности (РИД) и лицензирование сервисов и продуктов, разработанных на их основе.
Рынок материалов для сегмента аэрокосмических приложений — Aerospace Composites Market к 2025 году составит по прогнозам более 41 млрд. долларов США. При этом ожидается, что основным сегментом рынка будут новые композитные конструкции, армированные углеродными волокнами, а новые полимерные матрицы займут основное место в этом сегменте по объемам производства и общей стоимости. Существенным в денежном выражении будет рынок слоистых конструкций из композитов для освоения Крайнего Севера и Арктики. Оценить этот рынок в денежном выражении достаточно сложно, но очевидно, что он имеет большие перспективы.
В 2020 году глобальный рынок резервуаров для хранения сжиженного природного газа (СПГ) достиг 12.5 млрд. долларов и к 2025 году прогнозируется рост рынка до 17.5 млрд. долларов. Спрос на новые хранилища СПГ определяется повышением спроса со стороны энергетики и различных отраслей промышленности.

Перечень и описание научно-технологических задач, решаемых в ходе выполнения проекта

В рамках проекта будут решены следующие задачи.

  • Проведен анализ литературных источников и нормативно-технических документов по научно-технической проблеме расчета и оптимального проектирования слоистых, гибридных и анизогридных композитных конструкций.
  • Проведен международный патентный поиск, исследованы тенденции развития и построен патентный ландшафт по устройствам металлокомпозитных баков и сосудов высокого давления.
  • Разработаны новые варианты метода коллокации и наименьших квадратов для решения жестких систем дифференциальных уравнений с частными производными в неканонических областях, в том числе с криволинейной границей.
  • Осуществлена верификация и валидация разработанных математических моделей и алгоритмов путем расчета композитных и гибридных элементов конструкций нулевой гауссовой кривизны.
  • Осуществлен расчет типового ряда композитных и гибридных конструкций в виде многослойных армированных оболочек вращения.
  • Осуществлена апробация разработанных численных алгоритмов на многопроцессорных вычислительных системах.
  • Осуществлен перенос и апробация разрабатываемых подходов на расчет элементов композитных конструкций различного назначения.
  • Создан виртуальный прототип гибридного металлокомпозитного бака высокого давления, масштабируемый как по внутреннему объему и весу, так и по нагрузкам начального разрушения.