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(odnośnik otworzy się w nowym oknie) działającej na Uniwersytecie w Gironie(odnośnik otworzy się w nowym oknie) 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”(odnośnik otworzy się w nowym oknie) w oparciu o techniki symulacyjne. „Dzięki realizacji projektu TREAL udało nam się wdrożyć to, co nazywamy kwantyfikacją niepewności i zarządzaniem niepewnością(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (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(odnośnik otworzy się w nowym oknie). 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”.