Российские исследователи разработали новый подход для моделирования распространения ультразвуковых волн через композитные материалы, чье появление ускорит разработку инструментов и алгоритмов, позволяющих использовать эти колебания для мониторинга авиационных композитных конструкций. Об этом сообщил Центр научной коммуникации МФТИ.

"Традиционные методы моделирования зачастую разрабатываются на основе моделей, которые не всегда правильно передают тонкости микроструктур композитных материалов. Наш подход преодолевает эти ограничения, предоставляет инструментарий для глубокого анализа взаимодействий ультразвуковых волн и обеспечивает детализированное понимание поведения волнового фронта, особенно на границах материалов", - пояснил научный сотрудник МФТИ (Долгопрудный) Евгений Песня, чьи слова приводит Центр научной коммуникации вуза.

Как отмечают Песня и его коллеги, в последние десятилетия в авиационной отрасли начинают все активнее использоваться различные композитные материалы для создания различных несущих конструкций и других компонентов самолетов и космических аппаратов. Они превосходят аналоги на базе сплавов алюминия по массе и многим другим параметрам, однако для использования этих композитов необходимо понимать, как они сопротивляются различным нагрузкам и как они влияют на их внутреннюю структуру.

Для получения подобных сведений можно использовать источники и датчики ультразвуковых колебаний, которые в теории способны выявлять даже самые незаметные повреждения в структуре композитов, однако для этого необходимо понимать, как именно ультразвук распространятся между волокнами и разнородными слоями композитов. Существующие алгоритмы, по словам Песни, не всегда хорошо справляются с этой задачей, что вынудило российских исследователей разработать свой подход.

Для его разработки ученые применили сеточно-характеристический метод и химерные расчетные сетки, которые активно используются в аэрокосмической отрасли для просчета взаимодействий сложно устроенных объектов с газовыми и жидкими средами. Российским исследователям удалось подготовить такую реализацию этих математических приемов, которая позволяет максимально точно описывать взаимодействие волн на границах материалов, а также очень эффективно распараллеливать вычисления.

Для проверки работы этого подхода ученые просчитали то, как ультразвук распространяется в композитном материале, состоящем из восьми слоев цилиндрических волокон, расположенных под разными углами, и залитых эпоксидной смолой. Результаты этих расчетов оказались более точными, чем итоги работы других алгоритмов, за счет более тонкого учета микроструктуры материала. Исследователи надеются, что созданный ими подход ускорит разработку новых методов неразрушающего контроля и мониторинга авиационных конструкций.