Ударное взаимодействие оторвавшейся лопатки авиационного двигателя с многослойной панелью из полимерного композита
Опубликовано: 02.06.2026
Авторы: Вестяк В.А., Мартиросов М.И., Занина Э.А.
Опубликовано в выпуске: #6(174)/2026
Раздел: Механика | Рубрика: Механика деформируемого твердого тела
Представлено математическое моделирование ударного взаимодействия оторвавшейся титановой лопатки авиационного двигателя с многослойной двухстрингерной панелью из полимерных композиционных материалов (ПКМ) (высокопрочного углепластика) в явной постановке. Моделирование панели выполнено послойно методом конечных элементов с учетом когезионного взаимодействия между слоями, что позволяет оценить в ней деламинацию. Повреждающий элемент смоделирован методом гидродинамики сглаженных частиц (SPH), что обеспечивает корректный учет разрушения ударника. В ходе численного эксперимента проведен анализ характера и степени повреждения обшивки и подкрепляющих стрингеров. Исследована зависимость кинетической энергии ударника от времени, являющаяся интегральным показателем энергии, поглощенной рассматриваемым конструктивным элементом из ПКМ. Рассмотренная комбинированная методика, сочетающая в себе метод конечных элементов и SPH, продемонстрировала свою эффективность и может быть адаптирована для моделирования ударных воздействий различных дискретных источников на элементы конструкций из ПКМ.
EDN MQOSJN
Литература
[1] Leone F.A. Deformation gradient tensor decomposition for representing matrix cracks in fiber-reinforced materials. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2015, vol. 76, pp. 334–341. DOI: 10.1016/j.compositesa.2015.06.014 (дата обращения: 02.03.2026).
[2] Voleti S.R., Rao P.M., Pereira J.M. Impact response of thermoplastic composites — Experiments and modeling. Journal of Composite Materials, 2025, no. 59 (3), pp. 435–450. DOI: 10.1177/00219983241304688 (дата обращения: 02.03.2026).
[3] Voleti S.R., Rao P.M., Pereira J.M. Modeling of response of thermoplastic composites under high energy impact. NASA/RTX Technical Report, 2024.
[4] Justusson B., Molitor M., Schaefer J., Liguore S.L. The Use of LS-DYNA MAT299 for accurate prediction of impact damage in composite structures. AIAA SciTech Forum, 2021. DOI: 10.2514/6.2021-1624 (дата обращения: 02.03.2026).
[5] Badea M. C., Hadar A., Năstăsescu V., Bârsan G. Methods, models, and methodologies for numerical modeling of projectile impact on a plate. International conference KNOWLEDGE-BASED ORGANIZATION, 2024, no. 30 (3), pp. 29–36. DOI: 10.2478/kbo-2024-0081 (дата обращения: 02.03.2026).
[6] Zhou Y., Sun Y., Cai W. SPH-FEM simulation of impacted composite laminates with different layups. Aerospace Science and Technology, 2019, vol. 95, pp. 105469. DOI: 10.1016/j.ast.2019.105469 (дата обращения: 02.03.2026).
[7] Lu Y., Chen J., Feng D. Numerical modeling of hypervelocity impacts on carbon fiber reinforced plastics using a GPU-accelerated SPH model. Computational Mechanics, 2023, vol. 72, no. 5, pp. 907–926. DOI: 10.1007/s00466-023-02318-7 (дата обращения: 02.03.2026).
[8] Scazzosi R., Giglio M., Manes A. FE coupled to SPH numerical model for the simulation of high-velocity impact on ceramic based ballistic shields. Ceramics International, 2020, vol. 46, no. 15, pp. 23760-23772. doi: 10.1016/j.ceramint.2020.06.151 (дата обращения: 02.03.2026).
[9] Kurtar S., Gamze Y., Bektaş D.N., Özsunar S.N. Low velocity impact response of CFRP and Al2024-T3 helicopter blade. International Journal of Aeronautics and Astronautics, 2024, vol. 5, no. 2, pp. 51–61. https://doi.org/10.55212/ijaa.1583352
[10] Tatlıer M.S., Baran T. Structural and CFD analysis of an airfoil subjected to bird strike. European Journal of Mechanics-B/Fluids, 2020, vol. 84, pp. 478–486. DOI: 10.1016/j.euromechflu.2020.07.012 (дата обращения: 02.03.2026).
[11] Liu N. Cui B., Wang H., Zhao G., Chen P. Effect of discrete source damage on buckling and post-buckling behavior of composite hat-stiffened panels under uniaxial compression. Thin-Walled Structures, 2025, vol. 218 (C), p. 114158. DOI: 10.1016/j.tws.2025.114158 (дата обращения: 02.03.2026).
[12] Serra J., Trellu A., Bouvet C., Rivallant S., Castanié B. RatsifandrihanaL. Combined loadings after medium velocity impact on large CFRP laminated plates: Discrete ply model simulations. Composites Part C: Open Access, 2021, vol. 6 (С), p. 100203. https://doi.org/10.1016/j.jcomc.2021.100203 (дата обращения: 02.03.2026).
[13] Bolshikh A., Shelkov K., Borovkov D., Turbin N. Comparative evaluation of mathematical models of polymer composite material with the implementation of a three-dimensional stress–strain state in the simulation of impact. Aerospace Systems, 2025, vol. 8, pp. 519–530. https://doi.org/10.1007/s42401-024-00286-1 (дата обращения: 02.03.2026).
[14] Медведский А.Л., Мартиросов М.И., Хомченко А.В., Занина Э.А. Численное исследование ударного взаимодействия фрагментов пневматика авиационной шины с панелью из углепластика. Труды МАИ, 2024, № 137. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=181874 (дата обращения: 02.03.2026).
[15] Медведский А.Л., Мартиросов М.И., Хомченко А.В., Занина Э.А. Численный анализ воздействия града на панель из углепластика. Механика композиционных материалов и конструкций, 2024, т. 30, № 3, с. 387–399. DOI: 10.33113/mkmk.ras.2024.30.03.07 (дата обращения: 02.03.2026).
[16] Вестяк В.А., Занина Э.А., Мартиросов М.И., Хомченко А.В. Моделирование множественных повреждений высокой плотности при ударном взаимодействии с поверхностью композитного пакета. Сборник трудов 14-й Всероссийской научной конференции «Механика композиционных материалов и конструкций, сложных и гетерогенных сред» им. И.Ф. Образцова и Ю.Г. Яновского, 2024, с. 48–58. DOI: 10.33113/conf.mkmk.ras.2024.6 (дата обращения: 02.03.2026).
[17] Giannaros E., Kotzakolios A., Kostopoulos V., Campoli G. Hypervelocity impact response of CFRP laminates using smoothed particle hydrodynamics method: Implementation and validation. International Journal of Impact Engineering, 2018, vol. 123, pp. 56–69. https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2018.09.016 (дата обращения: 02.03.2026).
[18] Giannaros E., Kotzakolios S., Tsantzalis S., Kostopoulos V., Campoli G.Novel simulation of composite material behavior subjected to hyper-velocity impact (HVI) and produced secondary debris by using smoothed-particle-hydrodynamics code (SPH) methodology in LS-DYNA. Proceedings of the 11th European LS-DYNA conference, Salzburg, Austria, 2017, pp. 9–11.
[19] Seri S., Khodaei Z.S. Numerical investigation of hypervelocity impact simulation with FEM/SPH. International Journal of Impact Engineering, 2024, vol. 187, pp. 1–12. https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2024.104926 (дата обращения: 02.03.2026).
[20] Sun P.N., Colagrossi A., Marrone S., Antuono M., Zhang A.M. Multi-resoluyion Delta-plus-SPH with tensile instability control: Towards high Reynolds number flows. Computer Physics Communications, 2018, vol. 224, pp. 63–80. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2017.11.016 (дата обращения: 02.03.2026).