Каждый раз, глядя в небо на пролетающий лайнер, мы редко задумываемся, какая сложная инженерная симфония скрывается за его движением. А между тем в центре этой симфонии вал турбины, обычный на вид металлический стержень, который передает вращение от горячих газов к компрессору.

Именно от его надежности зависят жизни пассажиров и годы безаварийной эксплуатации. Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (член Национальной ассоциации участников рынка робототехники) решили выяснить, где именно этот стержень испытывает критические перегрузки, чтобы помочь конструкторам проектировать двигатели будущего.

В полете вал работает в экстремальных условиях, его скручивает, растягивает, нагружает центробежными силами, а при маневрах добавляются гироскопические эффекты, создающие дополнительное напряжение на опоры. Если где-то возникает зона перенапряжения, там со временем появляются микротрещины, ведущие к износу и авариям. Традиционно инженеры рассчитывают каждый вид нагрузки по отдельности, а затем суммируют, получая общий запас прочности. Метод надежен, но консервативен: чтобы гарантировать безопасность, деталь вынужденно утяжеляют, что увеличивает расход топлива.

Пермские исследователи предложили иной путь — комплексный анализ. Они создали точную цифровую копию вала с учетом всех геометрических переходов, материала и креплений, разбили модель на десятки тысяч элементов и «прогнали» через нее виртуальный полётный цикл — взлет, крейсер, посадку. Численное моделирование показало, что пиковые напряжения не размазаны равномерно, а сконцентрированы в нескольких узких поперечных сечениях. Там, где меняется форма детали, есть контактные поверхности или стыки с соседними узлами.

Как отметила доцент Елена Кузнецова, именно в этих зонах возникает сложное напряженное состояние, которое практически невозможно оценить аналитически по отдельным факторам.