Проведение прикладных научных исследований и разработок по приоритетам развития научно-технологической сферы

Резюме проекта, выполняемого в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 – 2020 годы»

Тема: «Аддитивные производственные технологии создания ультралегких структур с заданными функциональными свойствами (GeRusAM)»

Номер Соглашения 05.616.21.0126 от 22.04.2020

Период выполнения: 22.04 .2020 - 30.11.2020 г.г.

Иностранный партнер проекта: Институт легких конструкций и полимерных материалов Технического университета г. Дрездена (Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik Technische Universität Dresden), Германия

Ключевые слова: аддитивно е производство, композиционные материалы, термопласты, легкие конструкции, стержневой заполнитель, направленная укладка волокна, непрерывно е армирование

Цель проекта: Создание эффективных методов производства легких конструкций со стержневой структурой, обладающих высокой весовой эффективностью, с использованием аддитивных процессов направленной выкладки непрерывных армирующих волокон и термопластичных материалов. Расширение международного партнерства между Россией и Германией в целях проведения совместных исследований перспективных технологий в области аддитивного производства функциональных композитных легких конструкций.

Основные результаты проекта: Разработаны новые конструктивно-технологические решения изготовления стержневых заполнителей, в том числе с новыми архитектурными формами на базе складчатых структур, обеспечивающих высокие прочностные характеристики заполнителю. Проведены расчетные исследования по определению оптимальных конструктивных параметров заполнителей с плотностью от 20 до 50 кг/куб.метр. Определены технологические ограничения по реализации процесса термотрансформирования стержневых структур из направлено-армированного термопласта и разработан лабораторный технологический регламент их изготовления. Проведенные экспериментальные исследования показали возможность создания ультралегких конструкций c высокой удельной прочностью. Обоснован выбор материала для получения стержневых структур на базе непрерывных углеродных волокон и термопластичных матриц. Определены термомеханические характеристик материалов для определения технологических ограничений и возможности их преобразования из плоской заготовки в объемную деталь. Изготовлены образцы материалов и стержневых структур на базе углеродного волокна и полиамидной матрицы. Результаты работ обсуждены в рамках onlain-семинара с Иностранным партнером проекта. Анализ работ по казал применимость аддитивных методов со здания направленно - армированных структур и их преобразования в легкие стержневые конструкции с высокой удельной прочностью и жесткостью.

Технологический процесс, разработанный в рамках данного проекта, позволяет реализовать высокопроизводительный метод формования стержневых конструкций из направленно-армированных термопластов. Данный процесс основан на комбинации методов аддитивной печати непрерывными армирующими материалами и их термотрансформирования в объемную конструкцию. Такая технология особенно интересна для получения ультралегких структур с объемной плотностью от 10 до 30 кг/м3, в которых эффективно реализованы прочностные и упругие характеристики композиционных материалов. Данный способ обладает новизной, так как в известных нам источниках не обнаружено сведений о комбинации методов аддитивного создания стержневых структур, армированных непрерывными волокнами, и дальнейшем их трансформировании в объемные конструкции. Полученные результаты соответствуют требованиям, предъявляемым к данному проекту.

Основным эффектом от внедрения результатов проекта является создание альтернативных видов легких заполнителей, отличающихся высокой вариативностью форм и возможностью программирования их функциональных свойств. Использование таких структур в конструкции космических аппаратов может способствовать снижению веса и, как следствие, повышению весовой и экономической эффективности вывода полезной нагрузки на орбиту.

В рамках прикладного научного исследования и экспериментальной разработки получены следующие охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности (РИД):

- Полезная модель патент № 200914 «стержневой заполнитель многослойной панели», РФ;

- Полезная модель заявка № 2020120610 от 16.06.2020 «Стержневой заполнитель многослойной панели», РФ;

- Полезная модель заявка № 2020125318 от 21.07.2020 «Стержневой заполнитель многослойной панели», РФ;

- Полезная модель заявка № 2020125319 от 21.07.2020 «Стержневой заполнитель многослойной панели», РФ.

Результаты настоящего проекта могут быть использованы при создании новых конструкций и технологий производства стержневых заполнителей из направленно-армированных композиционных материалов с термопластичной матрицей, отличающихся малой объемной плотностью. Основной областью применения результатов проекта является авиа-космическая отрасль.

«Проведение прикладных научных исследований в области проектирования и создания сэндвич-панелей с уменьшенными весовыми характеристиками и термостабильностью для силовых конструкций корпуса негерметичного космического аппарата на базе новых типов легких заполнителей стержневого и складчатого типа»

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии. №14.574.21.0078 с Министерством образования и науки Российской Федерации в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 1 в период с 08.07.2014 по 31.12.2014 выполнялись следующие работы:

— патентные исследования и анализ литературы в области технологии изготовления сэндвич-панелей показали, что создание заполнителей складчатого и стержневого типа из композитов является новой и малоисследованной научно-технической областью знания;

— разработаны технологические схемы изготовления заполнителей складчатого и стержневого типа из композиционных материалов;

— проведенные исследовательские испытания по отработке технологических схем показали возможность их применения к широкому спектру армирующих материалов, включая высокопрочные и высокомодульные;

— разработан алгоритм для расчетов конструктивно-технологических параметров легких заполнителей стержневого и складчатого типа.

В силу того, что складчатые и стержневые заполнители имеют острые углы между структурными элементами (гранями, стержнями), основной характеристикой разработанных технологических схем является принципиальная возможность изготовления этих заполнителей из высокопрочных и высокомодульных армирующих материалов. Кроме того, разработанная схема получения стержневого заполнителя позволяет располагать армирующие волокна вдоль линий действия сил.

Полученные результаты являются новыми. В известных информационных источниках в РФ и за рубежом не обнаружено сведений о технологиях по изготовлению складчатых и стержневых заполнителей из композитов с применением синхронного складывания и TFP процесса.

Результаты, полученные в рамках первого этапа ПНИ, могут быть использованы для проведения прикладных научных исследований по теме данного проекта, а также в качестве задела для опытно-конструкторских работ, направленных на создание конструкций (в том числе силовых) космических аппаратов с уменьшенными весовыми характеристиками и термостабильностью. Полученные результаты ПНИ будут способствовать внедрению Индустриальным партнером новых технологий и материалов при изготовлении многослойных панелей для элементов конструкции космических аппаратов.

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе исполненными надлежащим образом

Проведение прикладных научных исследований в области технологического проектирования и создания пространственных композитных конструкций с высокой весовой эффективностью и термостабильностью для ракетно-космической техники

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии. № 14.577.21.0131 с Министерством образования и науки Российской Федерации в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 1 в период с 28.10.2014 по 31.12.2014 выполнялись следующие работы:

— составлен промежуточный отчет по этапу №1 ПНИ;

— выполнены патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96;

— разработана аналитическая методика расчета конструктивных параметров элементов пространственных композитных конструкций;

— разработан технологический регламент изготовления типовых элементов пространственных конструкций методами радиального плетения с би- и три- аксиальной схемой армирования и трансферного формования;

— разработана программа и методики исследовательских испытаний технологии изготовления типовых элементов для определения технологических ограничений;

— выработаны технические требования к механическим, весовым и термомеханическим характеристикам штанги опоры контррефлектора, штанги силовой;

— разработана эскизная конструкторская документация на макет ШОКК;

— разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальную технологическую оснастку для изготовления типовых элементов ШОКК и штанги силовой;

— изготовлена экспериментальная технологическая оснастка для изготовления типовых элементов ШОКК;

— поведены исследовательские испытания по отработке технологии изготовления типовых элементов пространственных конструкций методами радиального плетения преформ с би- и три- аксиальной схемой армирования и трансферного формования.

Соисполнитель, привлекаемый при выполнении первого этапа — Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)»

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе исполненными надлежащим образом.

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии. № 14.577.21.0131 с Министерством образования и науки Российской Федерации в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 2 в период с 01.01.2015 по 30.06.2015 выполнены следующие работы:

Составлен промежуточный отчет по этапу №2 ПНИ. Изготовлены образцы КМ методом радиального плетения и трансферного формования, разработана программа и методики проведения физико-механических испытаний данных образцов. Разработаны методики расчета НДС пространственных конструкций из КМ с высокой весовой эффективностью и термостабильностью на основе МКЭ; разработана имитационная модель технологического процесса трансферного формования элементов пространственных конструкций; разработаны компьютерные модели макетов пространственных конструкций из КМ с высокой весовой эффективностью и термостабильностью; проведен расчет НДС пространственных конструкций из КМ при заданных условиях нагружения и теплового воздействия с учетом физико-механических свойств материалов; проведены расчеты параметров технологического процесса трансферного формования элементов пространственных конструкций КА.

Соисполнитель, привлекаемый при выполнении второго этапа – Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)»

На этапе № 3 в период с 01.07.2015 по 31.12.2015 выполнены следующие работы:

Составлен промежуточный отчет по этапу №3 ПНИ. Выполнены дополнительные патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96. Изготовлены образцы, разработана программа и методики проведения физико-механических испытаний. Разработаны методики расчета НДС на основе МКЭ; разработана ИМ технологического процесса трансферного формования; разработаны компьютерные модели макетов пространственных конструкций; проведен расчет НДС пространственных конструкций; проведены расчеты параметров технологического процесса трансферного формования. Оптимизированы конструктивные параметры ШОКК, ШС и ИК; определены параметры технологического процесса трансферного формообразования элементов типа ШОКК, ШС и ИК. Уточнена ЭКД, разработаны компьютерные модели технологической оснастки для макетов ШОКК, ШС и ИК; изготовлена экспериментальная технологическая оснастка для ШС и ИК.

Соисполнитель, привлекаемый при выполнении третьего этапа – Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)»

Соисполнитель, привлекаемый при выполнении третьего этапа – Общество с ограниченной ответственностью «ИНТРУМ»

Разработка ресурсосберегающих технологий использования криогенных топлив на основе природного газа и водорода

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии. № 14.577.21.0151с Министерством образования и науки Российской Федерации в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 1 в период с 28.11.2014 по 31.12.2014 выполнялись следующие работы:

Разработан аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему в области разработки ресурсосберегающих технологий использования криогенных топлив. В том числе, сделан обзор научных информационных источников, включая статьи в ведущих зарубежных и российских научных журналах, монографии и патенты за период 2009-2013 г.г.
Проведены патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96.
Осуществлен выбор направления исследований, методов и средств газификации сжиженных криогенных топлив на основе природного газа и водорода.
Выполнена сравнительная оценка вариантов возможных решений исследуемой проблемы, с учетом полученных ранее результатов.
Сформулированы направления разработки научных основ газификации сжиженных криогенных топлив при адиабатическом расширении в соплах. Приведены физико-математические модели многофазных потоков и методы моделирования течения сред с фазовыми переходами в каналах переменного сечения. Описаны способы интенсификации теплообмена за счет закрутки потока и изменения профиля поверхности.
Сделан аналитический обзор производителей и типов технологического оборудования для газификации сжиженных криогенных топлив.
Разработан промежуточный отчет о ПНИЭР.
Разработан отчет о патентных исследованиях.

Работы (мероприятия), выполненные (выполняемые) за счет внебюджетных средств:

Закуплено технологическое и контрольно-измерительное оборудование для оснащения стенда исследования процесса подготовки природного газа к использованию и его одоризации.
Разработан, изготовлен и смонтирован экспериментальный стенд для исследования процесса подготовки природного газа к использованию и его одоризации. Разработана конструкторская документация.

2. Основные результаты, полученные в отчётный период

1) Выполнен анализ современной научно-технической, нормативной, методической литературы, включающей статьи в ведущих зарубежных и российских научных журналах, монографии и патенты за период 2009-2013 г.г. и затрагивающей научно-техническую проблему в области разработки ресурсосберегающих технологий использования криогенных топлив, что позволяет систематизировать информацию о способах и устройствах, применяемых в технологиях хранения, транспортировки и применения сжиженного природного газа и водорода. С учетом информации, полученной при составлении аналитического отчета осуществлен выбор направления исследований, методов и средств газификации сжиженных криогенных топлив на основе природного газа и водорода, а также выполнена сравнительная оценка вариантов возможных решений исследуемой проблемы. Основной результат состоит в том, что среди существующих способов охлаждения криогенных жидкостей и перевода их в частично отвержденное состояние, выбран метод, основанный на реализации процессов адиабатного расширения вскипающих жидкостей в каналах переменного сечения. Эксергетический анализ процессов охлаждения жидкостей и получения шугообразных сред показал, что такой метод характеризуется наименьшими затратами энергии для охлаждения жидкости и получения шуги по сравнению с методами внешнего охлаждения, барботирования, вакуумирования парового пространства, дросселирования. Для газификации криогенных топлив выбран метод, основанный на получении паровой фазы за счет внутренней энергии жидкости, который позволяет наряду с производством паровой фазы захолаживать емкость-хранилище криогенного продукта. Реализация методов обеспечит сокращение потерь криогенных топлив при хранении, транспортировке, использовании. Проектирование узлов оборудования для газификации криогенных топлив требует выбора наилучших с точки зрения производительности параметров устройств и процессов, знания не только интегральных, но и локальных параметров полей скоростей, температур, давлений, плотностей, объемных содержаний гетерогенных сред. Обзор методов численного моделирования, которые используются при описании динамики гетерогенных сред, показал, что различные этапы развития течения потребуют применения ряда моделей, включая односкоростную двухтемпературную с двумя давлениями модель вскипающей жидкости, модель парогазокапельного потока в диффузионном приближении, модель полидисперсной многоскоростной и многотемпературной газовзвеси. Анализ литературы показал, что в настоящее время нет единого описания течения двухфазной среды, сопровождающемуся инверсией потока с переходом от вскипающей жидкости к парогазокапельному потоку. В то же время, на основе анализа литературы, можно предположить, что такое описание может быть получено на основе применения метода сглаженных частиц. Описание способов интенсификации теплообмена за счет закрутки потока и изменения профиля поверхности позволяет сформулировать требования к конструкции теплообменников.

2) Выполненный аналитический обзор современной научно-технической литературы и проведенные патентные исследования позволили сформулировать новые принципы разработки устройств газификации, обладающих расширенными функциональными возможностями, позволяющими как газифицировать, так и охлаждать криогенные жидкости.

Автоматизированное проектирование электротехнических комплексов перспективных транспортных средств.

Резюме проекта, выполняемого в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 – 2020 годы» по этапу №1

Индустриальный партнер: Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение «Опытно-конструкторское бюро имени М.П. Симонова».

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 19.06.2014г. № 14.574.21.0050 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 1 в период с 19.06.2014г. по 31.12.2014г. выполнялись следующие работы:

1. Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы по проблеме автоматизированного проектирования электротехнических комплексов перспективных транспортных средств, в том числе обзор научных информационных источников: статьи в ведущих зарубежных и (или) российских научных журналах, монографии и (или) патенты за период 2009-2014г.г.

2. Обоснование направлений исследований, проводимых в рамках ПНИ.

3 Анализ и обоснование состава электротехнических комплексов перспективных транспортных средств, в том числе конфигурации бортовой кабельной сети (БКС).

4. Разработка логической схемы процесса проектирования электротехнических комплексов перспективных транспортных средств.

5. Проведение патентных исследований в соответствии с ГОСТ 15.011-96.

6. Создание базы данных для автоматизированного проектирования электротехнических комплексов перспективных транспортных средств.

При этом были получены следующие результаты:

Проведен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, который показал, что системы автоматизированного проектирования (САПР) электротехнических комплексов (ЭТК) являются средствами графически-информационной поддержки проектного процесса. Задачи оптимизации, анализа качества и надежности проектируемых систем ЭТК современные средства САПР не решают.

По результатам исследования обоснованы следующие направления ПНИ: системное исследование ЭТК транспортных средств, процесса проектирования ЭТК; разработка модели этапа проектирования ЭТК транспортных средств в виде логической схемы; разработка алгоритмов и специализированного программного обеспечения; разработка методики (технологии) автоматизированного проектирования ЭТК транспортных средств. В совокупности применение автоматизированных систем позволит снизить затраты на проектирование и производство перспективных транспортных средств.

Анализ состава электротехнических комплексов перспективных транспортных средств, в том числе конфигурации бортовой кабельной сети показал, что электротехнические комплексы современных транспортных средств характеризуются сложностью и трудоемкостью проектирования. При разработке алгоритмов оптимизации электрической сети, специализированного программного обеспечения, методики (технологии) автоматизированного проектирования ЭТК необходимо учитывать состав и конфигурацию электрической сети ЭТК транспортного средства. При этом должна быть обеспечена унификация методики (технологии) и специализированного программного обеспечения для ЭТК различных транспортных средств.

Разработанная модель этапа проектирования ЭТК транспортных средств в виде логической схемы проектирования позволяет решить задачу системного проектирования и объединить множество взаимосвязанных задач и решающие процедуры автоматизированной и неавтоматизированной деятельности в единый процесс, организовать итерационные циклы для получения оптимальных проектных решений.

Выполненные патентные исследования позволили заключить, что основными преимуществами создаваемого программного обеспечения являются: решение актуальных задач проектирования ЭТК, возможность интеграции разрабатываемого программного обеспечения с существующими программными комплексами проектирования, открытость исходного кода.

Созданная база данных для автоматизированного проектирования электротехнических комплексов перспективных транспортных на основе системы управления базами данных MS Access позволяет осуществлять взаимодействие существующего и разрабатываемого программного обеспечения.

Разработка методов имитационного моделирования, программных средств и прототипа модели динамики полета высокоскоростного вертолета с бесшарнирным несущим винтом на основе искусственных нейронных сетей

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 08 сентября 2014 г. № 14.574.21.0105 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014- 2020 годы» на этапе № 1 в период с 08 сентября 2014 г._ по 31 декабря 2014 г. выполнялись следующие работы, выполняемые на отчетном этапе в соответствии с «План-графиком исполнения обязательств» по Соглашению:

1.1. Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ, в том числе обзор научных информационных источников: статьи в ведущих зарубежных и (или) российских научных журналах, монографии и (или) патенты) — не менее 15 научно-информационных источников за период 2009 – 2013 гг.

1.2. Патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96.

1.3. Анализ существующих методов имитационного моделирования динамики полета воздушного транспорта, в том числе динамики полета высокоскоростных вертолетов на основе искусственных нейронных сетей.

1.4. Обоснование направлений исследований, проводимых в рамках ПНИ.

1.5. Разработка и обоснование метода имитационного моделирования динамики полета вертолета на основе искусственных нейронных сетей и с использованием имитации воздействия на вертолет нагрузок, создаваемых его основными агрегатами: несущим винтом, рулевым винтом, планером, посадочным устройством и силовой установкой.

1.6. Разработка концепции создания имитационной модели динамики полета вертолета с применением алгоритмов искусственных нейронных сетей.

1.7. Определение и обоснование совокупности основных параметров вертолета, определяющих структуру разрабатываемых имитационных моделей: несущего винта, рулевого винта, планера, посадочного устройства и силовой установки.

1.8. Разработка программы автоматизации процесса обработки больших объемов числовых данных воздействия на прототип вертолета нагрузок, создаваемых его основными агрегатами.

1.9. Разработка программы проектирования и обучения искусственных нейронных сетей типа персептрон.

1.10. Разработка трехмерной компьютерной модели визуализации рельефа местности.

При этом были получены следующие результаты:

Проведены исследования работ российских и зарубежных ученных. В списке использованных источников представлены ссылки на 73 научно-информационных источника, из них 37 — за период 2009-2013 годы.

На основании результатов анализа научно-технической литературы получено, что открытых публикаций на тему применения алгоритмов искусственных нейронных сетей при создании математической модели пилотажного стенда или тренажера в доступной печати не найдено. Это говорит о научной новизне данного проекта.

Исследование технического уровня разработок и тенденций развития и прогноз развития в области создания вертолетных пилотажных стендов и тренажеров показало, что направления исследований должны быть сосредоточены: на создании математической модели пилотажного тренажера (стенда) вертолета, максимально реалистично отражающей характеристики реального летательного аппарата, в том числе и на предельных режимах полета; на работах по созданию программного инструментария позволяющего с минимальными трудозатратами проводить обновление летных характеристик имитационной модели динамики полета тренажера (стенда); на создание систем позволяющих проводить минимизацию влияния человеческого фактора, т.е. систему интеллектуального управления вертолетом.

Разработаны следующие компьютерные программы:

– автоматизации процесса обработки больших объемов числовых данных воздействия на прототип вертолета нагрузок, создаваемых его основными агрегатами;

– проектирования и обучения искусственных нейронных сетей типа персептрон;

– трехмерной компьютерной модели визуализации рельефа местности.

На каждую программу разработана отдельная программная документация, представленная в виде самостоятельных документов в составе отчетной документации по этапу 1:

– схема алгоритма в соответствии с ГОСТ 19.701-90;

– текст программы в соответствии с ГОСТ 19.401-78;

– описание программы в соответствии с ГОСТ 19.402-78;

– руководство оператора в соответствии с ГОСТ 19.505-79.

При создании программы автоматизации обработки данных и проектирования нейронных сетей вместо массивов использовались списочные структуры. Это позволило достичь одну из важных целей их создания – работы с огромным количеством данных, так доступные пакеты исследований такого рода не позволяют такого (например, ограничения в MS Excel – 65536 строк в одном листе). Разработанные программы позволят выполнить имитационное моделирование основных агрегатов вертолета предусмотренное планом работ следующего года.

К главному результату следует отнести доказательство возможности применения алгоритмов искусственных нейронных сетей в задаче имитационного моделирования нагружения основных агрегатов вертолета. Оценочные расчеты тестовой имитационной модели бесшарнирного несущего винта показали очень высокую скорость вычислений – 0.000017 секунды, это позволяет выполнить 58823 расчетов в секунду. Полученный результат однозначно доказывает перспективность реализации последующих этапов работ.

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе исполненными надлежащим образом.»