Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка программно-технических решений в области промышленного программного обеспечения для моделирования поведения элементов конструкций из современных материалов в экстремальных условиях при механических и немеханических воздействиях

Номер контракта: 14.574.21.0117

Руководитель: Шелофаст Владимир Васильевич

Должность: профессор

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э.Баумана (национальный исследовательский университет)"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э.Баумана"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
композиционные материалы. композиты. . инженерный анализ . расчет напряженно- деформированного состояния. расчет напряженно- деформированного состояния. конечный элемент (кэ). матрица. упрочнитель. анизотропные материалы. ортотропные материалы. многослойные материалы. армирующие элементы. арматура.

Цель проекта:
Поскольку композиционные материалы применяются взамен металлических, то крайне важно разработать эффективные методы их прочностного расчета и создать программное обеспечение для практического использования методов их инженерного анализа. Отечественных универсальных аналогов программ расчета композиционных материалов не существует, в то время как использование дорогостоящих зарубежных аналогов невозможно на стратегических предприятиях и предприятиях оборонного комплекса из-за невозможности защиты информации от несанкционированного копирования. Цели реализуемого проекта: Разработка программно-технических решений в области промышленного программного обеспечения для моделирования поведения элементов конструкций из современных материалов в экстремальных условиях при механических и немеханических воздействиях.

Основные планируемые результаты проекта:
Были разработаны математические модели, описывающих процесс нагружения тела при больших механических и немеханических воздействиях обобщены и дополнены методы прочностного и теплового анализа для изотропных и композиционных материалов. В рамках рассмотрения применения метода конечных элементов были рассмотрены теоретические положения расчета напряженно- деформированного состояния в области больших перемещений, нелинейного поведения материала и возможного образования и учета трещин. Рассмотрен способ учета термонапряжений в результате решения задачи нестационарной теплопроводности. Достоинством предложенных методов является их унификация при работе с элементами разных типов, возможность учета различных нелинейных эффектов и граничных условий.
Представлены разработанные алгоритмы промышленного уровня готовности для решения широкого спектра задач моделирования поведения элементов конструкций из современных материалов в экстремальных условиях при механических и немеханических воздействиях, в том числе новый алгоритм многокритериального анализа процессов разрушения. В этой связи разработаны алгоритмы анализа условий появления трещин, условий их развития и определения их размера и вектора роста. Эти алгоритмы позволяют рассматривать процесс роста трещин, учитывать сложную геометрию детали и более точно смоделировать процесс трещинообразования. Также одним из достоинств указанных алгоритмов является то, что они не требуют начального измельчения сетки как это требуется в другом ПО.
С целью проверки корректности работы предлагаемых алгоритмов была выполнена и представлена в работе серия контрольных тестов. В каждом из заявленных тестов получена удовлетворительная точность результатов.
Успешная реализация метода конечных элементов невозможна без надежного генератора конечно-элементной сетки. В результате работы разработаны алгоритмы автоматической генерации плоской и объемной сеток КЭ. Следует отметить, что предложенные алгоритмы способны создавать сетки с постоянным и переменным шагом.
Было проведено вычисление КИН для трех типов растрескивания (KI, KII, KIII) с помощью напряжений у вершины трещины; вычисление КИН для трех типов растрескивания (KI, KII, KIII) с помощью величины раскрытия трещины; вычисление интенсивности выделения энергий для трех типов растрескивания (GI, GII, GIII); вычисление J-интеграла.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Конечный продукт представляет собой ПО для промышленных целей, позволяющее моделировать поведение элементов конструкции из современных материалов в экстремальных условиях при механических и немеханических воздействиях.

Оценка новизны научных решений:
- вычисление КИН методом напряжений с использованием экстраполяции и вычисление КИН методом перемещений на поверхности раскрытия трещины позволяют прямым методом находить данный параметр механики разрушения
- вычисление параметров механики разрушения с использованием пластинчатых и твердотельных конечных элементов первого и второго порядка позволяют снизить зависимость от КЭ, применяемых в решателе
- условное аналитическое вычисление параметра механики разрушения, отвечающего за продвижение трещины, позволяет исключить лабораторные испытания образцов
- используемые алгоритмы позволяют моделировать поведение элементов конструкции от момента зарождения трещины до полного разрушения

Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень.

САПР №1 САПР №2 APM Structure 3D
KI (МПа*√мм) 471.4 -1230 2030.62
GI (МПа*мм) -63.549 - -60.57
J-интеграл (МПа*мм) 63.62 63 57.32

Пути достижения заявленных результатов:
- Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы.
- Разработка математических моделей, описывающих процесс нагружения тела при больших механических и немеханических воздействиях
- Разработка алгоритма связанных задач прочности
- Разработка алгоритма автоматического перестроения геометрии тела и расчетной сетки
- Разработка программно-технических решений в виде экспериментального образца ПО, реализующих разработанные алгоритмы

Ограничения:
Возможны ограничения на использование материалов. Существует зависимость формы конечно-элементной части модели в области внедрения трещины от размеров самой трещины.

Риски:
Возможно расхождение результатов, полученных численным методом с экспериментальными, в связи с несовершенством измеряемого оборудования, физико-механических свойств испытуемого образца (наличие раковин, пустот, включении и т.д.).


Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Область применения планируемых результатов:
- промышленные предприятия, организации, использующие САПР (модуль инженерного анализа) для проектирования продукции
- НТЦ, университеты, институты занимающиеся подготовкой специалистов в области разрушения
- экспертами комиссии для оценки катастроф, связанных с техническими системами
- использование как в гражданской так и в военной сферах

Планируемые результаты, внедренные в отечественную САПР позволяют:
- сократить издержки, приходящие на цикл «конструирование - производство»
- оценить безопасность уже существующих элементов конструкции
- воссоздать модель полного цикла разрушения элементов конструкции

Влияния планируемых результатов на развитие научно-технических и технологических направлений, услуг в соответствующих секторах рынка и социальной сферы:

- интеграция математического аппарата разрушения на таких этапах жизненного цикла как «разработка и изготовление опытных образцов» и «испытание и приемка» позволит реализовать концепцию цифрового производства, а также расширить возможности PLM - систем
- сокращение времени на цикл «конструирование - производство» позволяет сократить сроки и расширить номенклатуру выпускаемой продукции для всех секторов рынка

Текущие результаты проекта:
- вычисление КИН для трех типов растрескивания (KI, KII, KIII) с помощью напряжений у вершины трещины;
- вычисление КИН для трех типов растрескивания (KI, KII, KIII) с помощью величины раскрытия трещины;
- вычисление интенсивности выделения энергий для трех типов растрескивания (GI, GII, GIII);
- вычисление J-интеграла;
- автоматический поиск концентратора напряжении;
- определение размеров трещины, направления ее распространения;
- автоматическое перестроение сетки в области зарождения трещины.