В эпоху, когда технологический суверенитет определяет геополитический и экономический статус любой державы, создание передовых материалов становится областью невидимой битвы. Следует отметить, что отечественное программное обеспечение для компьютерного моделирования и цифрового проектирования композитов превратилось из инструмента оптимизации в критически важный элемент национальной технологической безопасности. Композиционные материалы, сочетающие в себе легкость пластика и прочность титана, определяют облик техники будущего. Однако за каждым сверхпрочным крылом самолета или глубоководным аппаратом скрываются миллионы строк кода, рассчитывающих поведение атомов, распределение напряжений и термодинамические процессы. Кто управляет этим кодом — тот управляет индустрией.

Исторический экскурс: от эмпирических догадок к цифровым двойникам

История создания композитов долгое время опиралась на метод проб и ошибок.

• Середина XX века (Эра эмпиризма): Создание первых советских стеклопластиков и углеродных волокон для ракетной техники (например, для межконтинентальных ракет и космической программы «Буран») требовало колоссального количества натурных испытаний. Материалы «выпекались» в автоклавах, тестировались на разрывных машинах, отбраковывались и создавались заново. Это требовало колоссальных временных и финансовых ресурсов.
• Конец XX века (Появление «тяжелого» CAE): С развитием вычислительной техники советские и российские ученые начали применять метод конечных элементов (МКЭ). Однако вычислительные ядра и комплексы математического моделирования в основном импортировались. Зарубежные программные пакеты (такие как ANSYS, Abaqus или Digimat) стали стандартом де-факто в КБ и научно-исследовательских институтах, создавая опасную зависимость отечественной высокотехнологичной мысли от западных вендоров.
• Современность (Эпоха суверенного мультимасштабного моделирования): Санкционные ограничения и уход зарубежных ИТ-гигантов обнажили уязвимость этой схемы. Возникла острая необходимость в создании российской экосистемы сквозного проектирования композитов. Современный этап характеризуется переходом от простого импортозамещения к созданию систем класса сквозного мультимасштабного моделирования (от атомарного уровня и мезоструктуры до макроповедения готового изделия), реализуемых в отечественных кодах (например, в рамках платформ ЛОГОС, систем от Росатома, разработок ИСП РАН, МГУ и ведущих инжиниринговых центров).

От виртуальной лаборатории к реальному производству: примеры применения

Современное российское ПО для моделирования композитов решает задачи, которые невозможно просчитать «на бумаге» или смоделировать классическими методами механики сплошных сред. Данная технология активно применяется в ключевых отраслях:

• Авиастроение (Проект МС-21 и ПД-14): Создание знаменитого «черного крыла» для среднемагистрального лайнера МС-21 потребовало перехода на отечественные композиты и, как следствие, внедрения российских программных модулей для расчета процесса инфузии смолы. ПО моделирует, как жидкое связующее заполняет сухую углеродную заготовку, предсказывая появление сухих зон, пор и внутренних дефектов еще до запуска производственной линии.
• Аэрокосмическая индустрия: При проектировании головных обтекателей ракет-носителей и корпусов спутников отечественный софт рассчитывает поведение слоистых пластиков в условиях экстремального термоудара и космического вакуума. Моделирование помогает оптимизировать углы укладки углеродных лент, снижая вес конструкции на граммы, которые на орбите превращаются в миллионы сэкономленных рублей.
• Энергетика и судостроение: Композитные лопасти для ветрогенераторов и корпуса скоростных гражданских судов рассчитываются на сопротивление усталостному разрушению и гидродинамическим ударам. Российские CAE-системы позволяют виртуально «вырастить» дефект (например, расслоение от удара птицы или волны) и проверить, сохранит ли конструкция несущую способность.

В данной статье мы подробно разберем, как устроена математическая архитектура отечественных симуляторов композиционных материалов, с какими вызовами сталкиваются российские математики и программисты при воссоздании физико-химических процессов отверждения, и почему цифровая матрица композитов — это ключ к технологическому лидерству в XXI веке.

В настоящее время на рынке композитных материалов появилось много новых изделий и он достаточно активно расширяется. Сейчас сложные детали из композитов находят свое применение в авиационной, космической отраслях, а также в различных архитектурных, энергетических направлениях, автомобильной промышленности и судостроении. Помимо этого, композиты находят применение и других отраслях промышленности. Применение полимерных композиционных материалов (КМ) дает значительные экономические эффекты, которые позволяют улучшать характеристики изделий. Слоистые КМ на основе длинных волокон имеют ряд преимуществ над металлами, в связи с чем, начиная с середины прошлого столетия, доля их использования в высокоинтеллектуальных продуктах мирового машиностроения постоянно растет.

На данный момент максимальный эффект от использования композиционных материалов достигается в авиационно-космической, двигателестроительной и судостроительной отраслях, а также в ветроэнергетике. В России крупными производителями изделий из ПКМ являются предприятия ПАО «ОАК», АО «ОДК», ОАО «Вертолеты России», АО «ОСК» и Госкорпорация «Росатом».

Вместе с тем, при применении традиционных подходов, проектирование и производство изделий из КМ обходится значительно дороже проектирования и производства из металлов, что затрудняет переход на новые материалы. Типовые проблемы, с которыми сталкиваются компании при разработке и производстве изделий из КМ:

• Сложное описание изделия с большим количеством дополнительных параметров;
• Высокая трудоемкость и стоимость подготовки данных для оборудования промышленной автоматизации;
• Низкая степень повторяемости производства;
• Низкая скорость производства.

Для решения описанных выше проблем ведущими мировыми производителями используется специализированное промышленное оборудование (раскройные станки — раскрой плоского материала и маркировка слоев, лазерные проекторы — позиционирование слоев ткани на оснастке, оборудование автоматизированной выкладки волокна и ленты — серийное производство изделий из КМ). Такое оборудование требует разработки управляющих программ. В качестве входных данных используется описание изделия и его элементов в цифровом формате.

Для решения проблем конструкторской и технологической подготовки изделий из КМ в 1990-х годах появились специализированные решения, САПР КМ. Были разработаны новые методы проектирования, которые позволяли учитывать конструкторские и технологические особенности изделий из композиционных материалов и разрабатывать цифровое описание изделия для создания управляющих программ.

Ключевой частью, сердцем любой САПР КМ, позволяющей решать все перечисленные проблемы, является алгоритм моделирования драпировки ткани на сложных криволинейных поверхностях. К примеру, одна из самых распространенных задач — получение контура плоской развертки слоя для тонкостенных оболочек — решается методом обратного моделирования:

1. В CAD системе создается геометрия формообразующей поверхности изделия;
2. На созданной поверхности моделируется драпировка ткани слоя с заданным направлением и деформационными характеристиками;
3. Модель ткани, или сетка, разворачивается на плоскость, образуя контур плоской развертки, на основе которой делается раскрой материала, а развертка при выкладке на поверхность оснастки с высокой точностью совпадает с контуром изделия.

В результате моделирования драпировки с применением САПР КМ производитель сокращает риски неопределенности и добивается высокой степени повторяемости технологических операций, что отражается как на качестве продукта, так и на времени и стоимости его создания.

В более широком смысле САПР КМ используются для решения следующих задач:

• формирование описания изделия, являющееся основным источником информации о нем для всех служб предприятия;
• исключение дублирования/рассинхронизации данных в информационных системах предприятия;
• обеспечение автоматизированного и визуального контроля при разработке изделия;
• автоматизация процесса выпуска конструкторской документации и создание производственных данных;
• сокращение сроков и расходов на запуск продукции в серийное производство;
• обеспечение сокращения расхода материала, высокую степень повторяемости и качества конечной продукции.

На данный момент на отечественных предприятиях доминирующим ПО для проектирования и технологической подготовки изделий из композиционных материалов является Fibersim от компании-разработчика Siemens DI Software. Fibersim совместим со всеми ведущими CAD-системами — NX от Siemens DI Software, CATIA от Dassault Systems, Creo от PTC.

Основным конкурентом Fibersim на мировом рынке ПО для проектирования и ТПП КМ, обеспечивающим сравнимый уровень функционала, является модуль CATIA Composite Product Design. Однако данный модуль совместим только с CATIA, в то время как доминирующими САПР на ведущих российских предприятиях являются NX (авиационная промышленность) и Creo (космическая промышленность). Аналогов специализированных систем/модулей для разработки изделий из композиционных материалов у российских разработчиков инженерного ПО («АСКОН», «Топ Системы» и др.) на данный момент нет.

ООО «НКК» (Национальная компьютерная корпорация) является одним из ведущих системных интеграторов PLM в России. В 2023 г. специалистами компании была решена задача моделирования деформации ткани при укладке на криволинейные поверхности. Ниже приведены результаты работы алгоритма моделирования деформации ткани в ПО Siemens Fibersim (слева) и в прототипе, разработанном специалистами ООО «НКК» (справа).

Таким образом, была успешно решена ключевая задача разработки САПР КМ: разработан алгоритм, позволяющий моделировать процесс укладки, учитывать производственные особенности композиционных материалов и получать точные контуры плоских разверток. На текущем этапе решается задача разработки инструментов пользователя и модели данных для КМ в отечественных САПР.

На данный момент отечественный рынок PLM представлен тремя основными вендорами — ЗАО «Топ Системы», ООО «АСКОН» и ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» — с собственными CAD системами T-FLEX CAD, КОМПАС и САРУС.CAD соответственно. С точки зрения разработки модуля САПР КМ каждая из этих систем обладает своими плюсами и минусами в отношении уровня сложности обрабатываемой геометрии, наличия достаточного набора инструментов по работе с ней, уровнем поддержки со стороны вендора, полнотой открытых программных интерфейсов (API), поддерживаемыми операционными системами и пр.

В рамках исследования возможности реализации и оценки трудоемкости разработки САПР КМ совместно со специалистами ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», разработчиком платформы «Сарус», одна из версий прототипа ООО «НКК» была перенесена на САРУС.CAD, что подтвердило выполнение базовых требований для реализации модуля и наличие ключевых функций для дальнейшего развития САПР КМ на базе этой платформы.

Архитектура глобальной мысли: ключевые игроки и полигоны внедрения

Рынок программного обеспечения для цифрового материаловедения сегодня четко разделен на две экосистемы. С одной стороны — зрелые западные платформы, десятилетиями формировавшие инженерные стандарты. С другой — стремительно развивающийся российский сектор, совершающий форсированный переход от точечного импортозамещения к сквозной суверенизации инженерного анализа (CAE).

Глобальный ландшафт: пионеры коммерческих вычислений

В мировой практике моделирование композитов долгое время оставалось прерогативой нескольких крупных ИТ-конгломератов, чьи программные комплексы глубоко интегрированы в цепочки создания стоимости корпораций уровня Boeing, Airbus или BMW.

• Ansys Inc. (США) — экосистема Ansys Composite PrePost (ACP): Признанный мировой стандарт в области пре- и постпроцессинга слоистых структур. ACP позволяет инженерам детально моделировать укладку каждого слоя ткани, задавать ориентацию волокон и рассчитывать сложнейшие сценарии разрушения (критерии Цая-Ву, Хашина). Пример применения: расчет прогрессирующего разрушения фюзеляжа самолета Boeing 787 Dreamliner при ударных нагрузках (bird strike) или жесткой посадке.
• Hexagon / e-Xstream engineering (Люксембург/США) — платформа Digimat: Узкоспециализированный софт, совершивший революцию в микромеханическом моделировании. Digimat не просто считает конструкцию, он моделирует структуру самого материала: распределение пор, длину и ориентацию дискретных волокон в пластмассе под давлением. Пример применения: оптимизация литья под давлением композитных деталей подкапотного пространства для автомобилей Audi и Mercedes-Benz.
• ESI Group (Франция) — пакет PAM-COMPOSITES: Программный комплекс, специализирующийся на моделировании сугубо технологических процессов производства: инфузии связующего, термокомпрессионного формования и формообразования (жидкое штампование LCM). Пример применения: расчет коробления и остаточных напряжений при выпекании массивных композитных лопастей для морских ветрогенераторов компании Siemens Gamesa.

Российская экосистема: суверенные коды и индустриальные консорциумы

Российский рынок моделирования композитов формируется на стыке мощных академических школ (МГУ, МГТУ, СПбПУ) и индустриальных ИТ-лидеров при поддержке крупнейших госкорпораций.

• Госкорпорация «Росатом» (РФЯЦ-ВНИИЭФ) — платформа «ЛОГОС»: Мощнейший отечественный пакет для суперкомпьютерного мультифизического моделирования. Модуль «Логос Прочность» сегодня выступает базовым расчетным ядром для анализа напряженно-деформированного состояния композитных изделий в стране. Пример применения: расчет динамической прочности элементов активной зоны и защитных оболочек реакторных установки нового поколения, где композитные материалы подвергаются сочетанному воздействию радиации, сверхвысоких температур и давления.
• Компания «АСКОН» — приложение «КОМПАС-Композиты»: Прорывное решение в области автоматизации конструкторско-технологической подготовки (CAD/CAM). Программа автоматизирует ручную и автоматическую выкладку слоистых полимерных композитов, рассчитывает геометрию разверток и разрез ткани с учетом кривизны поверхностей. Пример применения: Разработка велась в рамках Индустриального центра компетенций (ИЦК) «Двигателестроение» на базе АО «ОДК-Авиадвигатель». Софт применяется для проектирования узлов мотогондолы и элементов двигателя ПД-14 для лайнера МС-21, полностью исключив зависимость КБ от импортных CAD-модулей проектирования укладки.
• Инжиниринговый центр «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab) СПбПУ: Флагман разработки высокотехнологичных цифровых двойников (Digital Twins). Под руководством профессора А. И. Боровкова центр создает сложнейшие мультимасштабные расчетные модели для ОАК, ОДК и космической отрасли. Пример применения: виртуальные испытания и оптимизация веса элементов конструкции перспективных российских вертолетов и беспилотных авиационных систем (БАС) из углепластика.
• Научно-технический центр «АПМ» и МИЦ «Композиты России» МГТУ им. Н.Э. Баумана: Тандем академической науки и коммерческого ИТ-сектора, создавший специализированные CAE-модули (APM Structure3D / APM FEM) для прочностного анализа композитных строительных конструкций и элементов машиностроения. Пример применения: расчет и верификация несущей способности полимерных композитных труб большого диаметра для нефтегазового сектора и пролетных строений пешеходных мостов из пултрузионных профилей.
• Инжиниринговая компания CAE Fidesys (Фидесис): Выходец из научной школы МГУ им. М.В. Ломоносова, создавший одноименный CAE-пакет. Уникальность софта — расчет больших нелинейных деформаций и механики разрушения гетерогенных сред. Пример применения: предиктивный расчет расслоения (деламинации) и потери устойчивости сотовых панелей, применяемых в корпусах российских связных и научно-исследовательских спутников.

Цифровой фундамент материального мира

Создание и внедрение суверенного программного обеспечения для моделирования композиционных материалов — это не просто шаг в рамках импортозамещения, а стратегическая необходимость, определяющая жизнеспособность ключевых отраслей российской промышленности. Цифровое материаловедение стало главным драйвером ускорения научно-производственного цикла, позволяя сократить сроки вывода новых изделий на рынок в 2–3 раза и снизить затраты на натурные испытания на десятки процентов. Переход от эмпирического проектирования к созданию сквозных цифровых двойников композитов замкнул технологическую цепочку: от синтеза молекулярной структуры полимера до предиктивного анализа поведения готового изделия под экстремальными нагрузками. Российские программные комплексы доказали свою состоятельность в таких критических проектах, как гражданская авиация, атомная энергетика и космическое приборостроение, создав прочный задел для полной независимости от западных инженерных платформ.

Перспективы развития технологии: На пути к генеративному дизайну

Эволюция отечественного ПО для моделирования композитов в ближайшее десятилетие будет определяться тремя фундаментальными трендами:

• Мультимасштабная интеграция (От атома до конструкции): Ближайшая цель разработчиков — бесшовная интеграция квантово-химического моделирования (квантовой механики и молекулярной динамики) с классическими методами механики сплошных сред (МКЭ). Это позволит предсказывать свойства композита еще на этапе синтеза новых полимерных матриц и молекулярной модификации углеродных нанотрубок или графена.
• Искусственный интеллект и генеративный дизайн материаловедения: Внедрение суррогатных моделей на базе машинного обучения (Machine Learning) кардинально изменит сам подход к проектированию. ИИ будет не просто проверять заданную инженером укладку слоев, а самостоятельно генерировать оптимальную внутреннюю геометрию и состав композита под конкретные эксплуатационные требования (минимальный вес, заданная жесткость, термостойкость).
• Предиктивный мониторинг производства («Умные» автоклавы): Развитие ПО движется в сторону интеграции симуляторов с реальным технологическим оборудованием (IIoT). Математическая модель технологического процесса (инфузии или выкладки) в режиме реального времени будет корректировать параметры работы оборудования (температуру, давление, скорость подачи) на основе данных с датчиков, полностью исключая человеческий фактор и производственный брак.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Способно ли отечественное ПО полностью заменить зарубежные стандарты вроде ANSYS, Abaqus или Digimat?
   В части базовых прочностных расчетов и моделирования классических технологических процессов (например, пропитки и отверждения) современные российские коды (платформа «ЛОГОС» от Росатома, специализированные модули КБ и институтов РАН) уже обеспечивают необходимый функционал. Главная задача текущего этапа — развитие специализированных модулей (микромеханика разрушения, расчет усталости многослойных панелей) и повышение эргономики интерфейсов (Pre- и Post-processing) до уровня многолетних западных аналогов.
2. Каковы главные сложности при создании математических моделей для композитов?
   Композиционные материалы принципиально отличаются от металлов своей анизотропией (свойства зависят от направления) и гетерогенностью. Моделирование должно учитывать поведение сотен слоев ткани, адгезию на границе «волокно-матрица», возникновение остаточных напряжений при полимеризации и появление микропор. Описание этих процессов требует создания сложнейших нелинейных математических моделей и колоссальных вычислительных мощностей суперкомпьютеров.
3. Как решается проблема верификации и валидации (V&V) российского софта?
   Это наиболее критический вопрос. Мало написать код — нужно доказать, что его расчеты совпадают с физической реальностью. В России создаются единые верификационные базы данных физико-механических свойств материалов и результатов натурных испытаний. Программные комплексы проходят многоступенчатую аттестацию в профильных институтах (ВИАМ, ЦАГИ, ЦНИИСМ), где результаты виртуальных «продувок» и «разрывов» детально сопоставляются с поведением реальных образцов.
4. Требуется ли переобучение инженерных кадров для работы на отечественных CAE-системах?
   Фундаментальная база инженеров-расчетчиков (знание механики деформируемого твердого тела, метода конечных элементов) остается неизменной. Однако логика интерфейсов, командные строки и алгоритмы настройки сеточных моделей в отечественном ПО имеют свои особенности. Сейчас ведущие технические вузы страны (МГУ, МГТУ им. Баумана, СПбПУ, МАИ) активно внедряют российские программные комплексы в учебные программы, формируя новое поколение инженеров, изначально ориентированных на суверенную ИТ-экосистему.