Modelowanie danych może wydłużyć żywotność komponentów lotniczych
Tworzywa termoplastyczne są stosowane w wielu gałęziach przemysłu ze względu na ich wytrzymałość, trwałość i odporność na zmęczenie materiału. Nie bez znaczenia jest również fakt, że dzięki możliwości recyklingu zwiększają one opłacalność i trwałość komponentów. „W przeciwieństwie do konwencjonalnych tworzyw termoutwardzalnych materiały termoplastyczne mogą być wielokrotnie przetapiane i ponownie formowane”, podkreśla Albert Turon, koordynator projektu TREAL oraz członek grupy badawczej AMADE działającej na Uniwersytecie w Gironie w Hiszpanii. W rzeczywistości można je odlewać na nowo niemal w nieskończoność, co stanowi doskonały sposób na eliminację tworzyw sztucznych ze strumieni odpadów przemysłowych.
Kompozyty termoplastyczne w przemyśle lotniczym i kosmicznym
Celem uruchomienia projektu TREAL była chęć wsparcia sektora lotniczego i kosmicznego w pełniejszym wykorzystaniu potencjału tych materiałów. W związku z tym prace badawcze koncentrowały się na opracowaniu nowych modeli analitycznych do przewidywania zachowania kompozytów zawierających tworzywa termoplastyczne oraz stworzeniu platformy poświęconej metodologii badań numerycznych, z której następnie mogliby korzystać producenci i projektanci. „Naszym celem było zbudowanie niezawodnej platformy do wirtualnego modelowania, zdolnej do skutecznego przewidywania wszystkich mechanizmów uszkodzeń i awarii, jakim mogą ulegać te nowe materiały termoplastyczne”, mówi Turon. „Jedną z głównych przeszkód w upowszechnieniu stosowania tworzyw termoplastycznych były jak dotąd kwestie uzyskiwanych osiągów i trudności w opracowaniu wydajnych procesów produkcyjnych”.
Numeryczna analiza materiałów oparta na niezawodności
Pierwszym etapem projektu była produkcja wysokiej jakości paneli termoplastycznych przeznaczonych do samolotów i opracowanie dla nich protokołu badań doświadczalnych, w którym określono dopuszczalne limity naprężeń, odkształceń lub sztywności dla poszczególnych konfiguracji statku powietrznego i warunków lotu. Jednocześnie uczeni pracowali nad nowym numerycznym modelem uszkodzeń materiałów termoplastycznych, zadaniem którego było dokładne przewidywanie mechanizmów powstawania uszkodzeń i awarii w nowych materiałach. Nadrzędnym celem projektu było wykazanie, czy zastosowana przez badaczy analiza numeryczna oparta na niezawodności może ostatecznie zastąpić – lub przynajmniej ograniczyć – kosztowne i czasochłonne fizyczne testy strukturalne. Nowo opracowane kompozyty termoplastyczne zostały poddane szeroko zakrojonym badaniom doświadczalnym, które pozwoliły naukowcom zrozumieć ich zachowanie i określić dopuszczalne wartości parametrów. Następnie przystąpiono do walidacji modeli numerycznych, aby sprawdzić, z jaką dokładnością są w stanie przewidywać zachowanie mechaniczne tych materiałów.
Kwantyfikacja niepewności i zarządzanie nią podczas projektowania samolotów
Zespołowi projektu TREAL udało się ustanowić skuteczną metodologię, za pomocą której możliwe jest określenie „dopuszczalnych parametrów projektu” w oparciu o techniki symulacyjne. „Dzięki realizacji projektu TREAL udało nam się wdrożyć to, co nazywamy kwantyfikacją niepewności i zarządzaniem niepewnością (ang. uncertainty quantification and management, UQM) w całym łańcuchu rozwoju”, dodaje Aravind Sasikumar z Uniwersytetu w Gironie, który pełnił w projekcie rolę kierownika ds. UQM. „Proces ten obejmował szereg etapów, od kwantyfikacji niepewności dotyczących właściwości materiałów, przez opracowanie dokładnych narzędzi i procedur analitycznych w celu ich skutecznej propagacji, aż do uzyskania wiarygodnych dopuszczalnych parametrów projektu. Są to informacje o kluczowym znaczeniu zarówno dla inżynierów projektujących materiały, jak i producentów samolotów, gdyż umożliwiają projektowanie statków powietrznych nowej generacji, spełniających wszelkie wymogi bezpieczeństwa”. Pragnąc jak najszerzej udostępnić swoje wyniki, zespół zebrał opracowane przez siebie metody analizy i połączył na platformie oprogramowania Digimat. Jest to najnowocześniejsza wieloskalowa platforma do modelowania materiałów, która pomaga inżynierom projektować i optymalizować materiały kompozytowe w szybki i oszczędny sposób. Kolejnym krokiem jest pełna integracja narzędzi do analizy numerycznej z procesami UQM z myślą o zastosowaniu ich na wszystkich etapach rozwoju nowych komponentów lotniczych. „Opracowane przez nas podejście pomoże skrócić czas opracowywania produktów, zmniejszyć obciążenia związane z szeroko zakrojonymi badaniami doświadczalnymi, a także zwiększyć zaufanie do ustalonych wartości granicznych w pomiarach naprężeń, odkształceń lub sztywności”, mówi Sasikumar. „Mamy nadzieję, że ta technika wirtualnego modelowania danych zostanie ostatecznie włączona do procesu projektowania samolotów nowej generacji”.
Słowa kluczowe
TREAL, statek powietrzny, samolot, lotnictwo, przemysł lotniczy i kosmiczny, tworzywa termoplastyczne, kompozyty, UQM, Digimat