Алгоритм против избыточного запаса: новая разработка НГУ делает расчёты точнее в разы

В Новосибирске создан инструмент, который способен изменить подход к проектированию сложных конструкций. Ученые Новосибирского государственного университета (НГУ) разработали программный комплекс для точного моделирования поведения новых композиционных материалов.

По данным, технология поможет инженерам в машиностроении, авиастроении, нефтяной промышленности и даже в медицине — там, где точность расчетов напрямую влияет на безопасность и долговечность изделий.

Как работает новая система

Разработка представляет собой интеллектуальный конструктор, позволяющий инженерам создавать компьютерные модели, учитывающие нелинейные свойства материалов — такие как вязкоупругость, упругопластичность, накопление повреждений и наведенная анизотропия.

"Новое программное обеспечение позволит инженерам строить высокоточные модели, которые учитывают различные типы нелинейного поведения материалов", — сообщили в пресс-службе НГУ.

Эти параметры раньше не использовались в полной мере, потому что линейные модели, применяемые в инженерных расчетах, упрощали реальную картину. Нелинейный подход значительно сложнее, но и гораздо точнее. Он помогает оптимально использовать прочностные резервы и снижать массу изделий без потери надёжности.

Почему линейные модели больше не подходят? Потому что современные материалы — многослойные и многокомпонентные. Их поведение при нагрузках нельзя описать простыми уравнениями. Ошибка в расчётах приводит к перерасходу материала или снижению безопасности конструкции.

Преимущества нелинейного моделирования

По словам Алексея Шутова, ведущего научного сотрудника Центра новых функциональных материалов НГУ, переход от линейных моделей к нелинейным — это шаг к рациональному проектированию. Такие модели позволяют экономить металл, снижать себестоимость и массу изделий, а значит — повышать конкурентоспособность продукции.

Система помогает инженерам не просто рассчитывать нагрузки, но и оценивать поведение материалов в экстремальных условиях — от вибрации и перегрева до микроповреждений и усталости металла.

А что если использовать старые методы расчёта? Тогда коэффициенты запаса приходится завышать, чтобы компенсировать неточность, и конструкция становится избыточно тяжёлой. Новый подход убирает этот балласт, сохраняя безопасность.

Интеграция и практическое применение

Разработка НГУ уже адаптирована к интеграции с популярными инженерными программами. Это значит, что инженеры смогут использовать конструктор без смены привычной среды работы.

Генерация моделей реализуется через алгоритмы на языке C++, которые автоматически встраиваются в вычислительные комплексы. Программа способна работать с экспериментальными данными: она "учится" на них и проверяет точность предсказаний.

"Генерируется вычислительный алгоритм, реализующий модель на языке C++. Он встраивается в комплексы для анализа прочности изделий", — пояснил Алексей Шутов.

Эта особенность делает конструктор полезным не только для промышленности, но и для научных исследований — например, при проектировании медицинских имплантатов или биомеханических систем, где требуется персонализированный подход.

Интерактивный справочник и автоматизация выбора

Одно из новшеств — встроенный интерактивный справочник. Он помогает инженеру подобрать подходящую модель под конкретную задачу: указывает, какие экспериментальные данные нужны для калибровки и какие параметры стоит учесть.

Почему это важно? Потому что выбор модели — ключевой этап. Ошибка на этом этапе делает все последующие расчёты бесполезными. Автоматизация подбора экономит время и снижает риск человеческого фактора.

Инженер может задать исходные данные — тип материала, нагрузку, диапазон температур — и получить готовый набор уравнений для моделирования. Такой подход особенно ценен при разработке новых композитов, где поведение слоёв зависит от их химического состава и внутреннего напряжения.

Поддержка и значение для отрасли

Проект реализован при финансовой поддержке Фонда НТИ (Национальной технологической инициативы). Цель — ускорить внедрение отечественных решений в промышленное проектирование и снизить зависимость от зарубежных инженерных платформ.

А что если сравнить с иностранными аналогами? Зарубежные пакеты часто закрыты и не позволяют адаптировать математические модели под специфические российские материалы. Конструктор НГУ гибче: он рассчитан на расширение и позволяет создавать уникальные вычислительные схемы для конкретных отраслей.

В НГУ отмечают, что это особенно важно для аэрокосмического сектора, где вес конструкции критичен. Точные нелинейные модели дают возможность проектировать детали с меньшим коэффициентом запаса, не снижая прочности.

Перспективы применения

Новая система найдёт применение в разных областях — от авиации до биомеханики. В машиностроении она поможет оптимизировать корпусные элементы и детали турбин, в нефтяной промышленности — повысить надёжность трубопроводов и буровых установок. В медицине — моделировать прочность имплантатов и костных протезов с учётом индивидуальных параметров пациента.

Можно ли использовать эту технологию вне промышленности? Да, например, в образовании. Программный комплекс подходит для обучения студентов инженерных специальностей принципам моделирования и анализа материалов.

Разработка показывает, как фундаментальная наука переходит в прикладную плоскость: от теории уравнений к инструменту, который помогает создавать реальные изделия — легче, прочнее и безопаснее.