Ученые Пермского Политеха нашли способ разглядеть скрытые повреждения в композитных деталях

Композитные материалы сегодня повсюду: от карбоновых рам велосипедов до обшивки самолетов и лопастей ветрогенераторов. Их ценят за легкость и прочность, но у них есть скрытая слабость — внутренние повреждения могут накапливаться незаметно. Сначала трескается связующая смола, затем рвутся отдельные волокна, и лишь спустя время на поверхности появляется видимая трещина. Этот процесс называют усталостью материала, и он опасен своей скрытностью.

Инженеры традиционно борются с этой неопределенностью, закладывая избыточный запас прочности. На практике это означает утолщение деталей и перерасход ресурсов. В авиации каждый лишний килограмм требует больше топлива — за срок службы самолета это тонны керосина и дополнительные выбросы CO₂. Детали меняют по регламенту, хотя они могли бы служить дольше, а затраты на обслуживание вырастают до 40%.

Точность вместо приблизительности

Раньше для контроля деформаций использовали тензометры — датчики, приклеиваемые к детали. Но они показывали состояние только в точках крепления и часто смещались или отклеивались во время испытаний. Альтернатива — оптический бесконтактный метод: на поверхность образца наносят хаотичный контрастный рисунок, а две камеры снимают его в процессе нагрузки. Специальное ПО сравнивает кадры и строит карту деформаций.

Однако при циклических испытаниях, когда нагрузка прикладывается тысячи раз, возникают проблемы: съемка длится часами, накапливаются терабайты видеоданных, а края отверстий под крепеж, где чаще всего появляются трещины, создают оптические искажения. Погрешность измерений в таких зонах достигала 10–12%.

Решение: умная обработка и точечная съемка

Ученые Пермского Политеха адаптировали метод корреляции цифровых изображений для циклических испытаний композитов. Они решили обе проблемы: отверстия стали заполнять специальным клеем-расплавом, а программу настроили так, чтобы она игнорировала зону отверстия, но точно рассчитывала деформации у его кромки. В результате погрешность упала до долей процента.

Объем данных сократили, записывая видео только в ключевые моменты цикла, например при пиковых нагрузках. Это в разы уменьшило объем информации без потери значимых данных. Также исследователи подобрали оптимальный шаг обработки изображений — он должен быть сопоставим с размером структурной неоднородности материала. Для углепластика это примерно два на четыре миллиметра.

Как пояснила Елена Струнгарь, старший научный сотрудник Центра экспериментальной механики ПНИПУ, только такой шаг позволяет видеть и общую картину, и локальные очаги зарождающихся трещин. Метод опробовали на образцах углепластика — гладких пластинах и пластинах с отверстием диаметром четыре миллиметра, имитирующих крепежные узлы.

Разработанная методика впервые позволяет инженерам точно измерять деформации в самых опасных местах — у отверстий и между слоями композита. Это критично для авиации и космоса, где от прочности деталей зависят жизни людей. Кроме того, теперь можно не закладывать лишний запас прочности: детали станут легче, экономия материала и топлива снизит стоимость производства и эксплуатации.