Представьте: вы мчитесь на горном велосипеде по пересеченной местности. Каждый раз, когда вы едете по неровной дороге, велосипед испытывает циклические нагрузки в сотни и тысячи ударов и вибраций. В один прекрасный момент карбоновая рама не выдерживает и лопается. И дело не в том, что она была сделана плохо. Просто в карбоне, как и в любом композитном материале, повреждения накапливаются незаметно: сначала трескается связующая смола, потом рвутся отдельные углеродные волокна, и лишь спустя время возникает видимая трещина. Этот процесс называют усталостью материала, и он опасен своей скрытностью. Современная авиация, ракетно-космическая техника, лопасти ветрогенераторов и корпуса скоростных поездов — все это строится на композитах. И если пропустить начало разрушения в них последствия будут гораздо серьезнее. Но как вовремя заметить этот процесс? Ученые Пермского Политеха разработали метод, который позволяет буквально видеть, как «устает» материал. Это дает возможность не пропустить момент зарождения трещины и понять, как разрушается композит, что важно для прогнозирования ресурса детали.
Из-за того, что поведение композитов сложно предсказать, инженеры традиционно закладывают избыточный запас прочности. На практике это означает увеличение толщины деталей и неэффективное использование ресурсов. В авиации каждый лишний килограмм требует больше топлива — для самолета это десятки тонн керосина за срок службы и дополнительные выбросы CO₂. Детали меняют «на всякий случай», хотя они могли бы служить еще годы. Это увеличивает затраты до 40% и создает лишние отходы.
Раньше инженеры отслеживали деформации с помощью тензометров — маленьких датчиков, которые приклеивали к детали. Но такой метод показывал деформацию только в определенных точках. Увидеть всю картину целиком было невозможно. Также датчики при испытаниях могли смещаться или отклеиваться, искажая данные.
Альтернативой является оптический бесконтактный способ, когда на поверхность образца наносят хаотичный контрастный рисунок из мельчайших черных точек на белом фоне. Две высокоточные видеокамеры непрерывно снимают этот узор в процессе испытания, а специальное программное обеспечение сравнивает каждое последующее изображение с предыдущим. В результате получается полноценная карта деформаций, где можно увидеть любые смещения.
Однако в реальности композитные детали работают в условиях постоянных переменных нагрузок: самолет попадает в турбулентность, лопасть ветрогенератора вращается под порывами ветра, поезд вибрирует на стыках рельсов. Чтобы проверить, сколько выдержит материал, инженеры проводят циклические испытания, прикладывая нагрузку тысячи и даже миллионы раз.
И вот здесь у оптического метода возникли свои сложности. Во-первых, видеокамеры снимают непрерывно на протяжении всего испытания, которое может длиться часами, — накапливаются терабайты данных, и их обработка становится проблемой. Во-вторых, во многих композитных деталях есть отверстия под крепежные болты, и именно вокруг них чаще всего появляются трещины. Но края этих отверстий создают на снимках оптические искажения, и программа ошибается, завышая деформации на 10–12 процентов.
Ученые Пермского Политеха доработали метод корреляции цифровых изображений применительно к циклическим испытаниям композитов. Они изменили настройки видеосистемы и алгоритмы обработки данных так, чтобы устранить обе проблемы. Статья с результатами исследования опубликована в журнале Inorganic Materials. Работа поддержана грантом Российского научного фонда.
Для борьбы с искажениями от отверстий они стали заполнять их специальным клеем-расплавом и перенастроили программу таким образом, чтобы она не учитывала зону самого отверстия, но при этом точно рассчитывала деформации прямо у его кромки — там, где чаще всего зарождаются трещины. В результате погрешность измерений в этой критической области снизилась с 10–12 процентов до долей процента.
Вторая задача была связана с огромными объемами видеоданных: при непрерывной съемке на протяжении длительных испытаний накапливаются терабайты информации. Вместо этого исследователи настроили камеры на запись только в ключевые моменты каждого цикла — например, в пиковые нагрузки. Это сократило объем данных в разы без потери важной информации.
Кроме того, ученые определили оптимальную настройку чувствительности программы. В отличие от металла, композит — это слоеная структура из волокон и смолы. Если шаг расчета слишком большой, мелкие трещины между слоями становятся невидны. Исследователи подобрали такой шаг, при котором программа фиксирует даже самые ранние микротрещины.
— Мы подобрали шаг обработки изображений, сопоставимый с размером структурной неоднородности материала. Для углепластика это примерно два на четыре миллиметра. Только так можно одновременно видеть и общую картину, и локальные очаги зарождающихся трещин, — рассказывает кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Центра экспериментальной механики ПНИПУ Елена Струнгарь.
Метод уже опробовали на углепластиковых образцах. Испытания проводили двух видов — статические и циклические. Образцы были двух типов: гладкие пластины (например, из таких делают обшивку фюзеляжа самолета) и пластины с отверстием диаметром четыре миллиметра (как в местах креплений — там, где детали соединяют болтами). Эксперименты подтвердили, что новая методика впервые позволяет точно измерять деформации прямо у края отверстия — в самом опасном месте, где обычно начинается разрушение.
В итоге разработанная методика позволяет инженерам видеть не только общую деформацию детали, но и процесс зарождения трещин в самых опасных местах — у отверстий и между слоями. Это критично для авиации и космоса, где от прочности деталей зависит безопасность людей. Кроме того, теперь при проектировании можно не закладывать лишний запас прочности. А значит, детали становятся легче, экономится материал, тратится меньше топлива (особенно в самолетах и ракетах), и в итоге производство и эксплуатация обходятся дешевле.
