Harbin Institute of Technology, Harbin, China
Head protection is a critical concern in industries ranging from construction to aerospace, yet conventional helmets often face trade-offs between weight, cost, and safety performance. Recent advancements in mechanical metamaterials and additive manufacturing offer transformative solutions. Mechanical metamaterials, engineered with tailored microstructures, exhibit exceptional properties such as negative Poisson’s ratio and high energy absorption, which are unattainable with natural materials. Origami-inspired structures, particularly Kresling patterns, have shown promise in energy dissipation due to their geometric flexibility and stability under load. Meanwhile, 4D printing—an extension of 3D printing using smart materials—enables dynamic, stimuli-responsive structures, further enhancing design possibilities. This project explores the integration of these technologies to develop a "super-structured helmet" that addresses the limitations of existing designs. By combining biomimetic honeycomb outer layers with optimized origami-based internal frameworks, the helmet aims to achieve superior impact resistance, lightweight properties, and cost efficiency, with potential applications in civilian, industrial, and aerospace sectors.
Funding Information: Harbin Institute of Technology Top-Notch Student Cultivation Program
Acknowledgments: We are deeply grateful to our supervisor, Prof. Zhao Jie, for her invaluable guidance, constant encouragement. We’d also like to give special thanks to the members of the Planetary Rovers Team of HIT, especially Mr. Chen Yanhong, for his constructive suggestions and collaborative spirit. Working with the team has been an enlightening experience.
1.Bai Y., Yu K., Zhao J., Zhao R. Experimental and Simulation Investigation of Temperature Effects on Modal Characteristics of Composite Honeycomb Structure // Composite Structures. 2018. Vol. 201. P. 816–827.
2.XIANGZ,ZANGS,ZHONGY.Origami mechanical metamaterials based on the Miura⁃derivative fold patterns[J].Proceedings of The Royal Society A Mathematical Physical and Engineering Sciences,2016,472(2191):20160361.
3.KAMRAVAS,MOUSANEZHADD,EBRAHIMIH,etal.Origami⁃based cellular metamaterial with auxetic,bistable,andself⁃locking properties[J].Scientific Reports,2017,7:46046.
健峰 凯 孙 (Jianfeng Sun)
ФГАОУ ВО "Казанский (Приволжский) федеральный университет"
В настоящее время начали стремительно развиваться исследования по созданию высокоэффективных компактных колебательных движителей [1-3]. В данной работе исследуется движение цилиндрического тела, совершающего синхронные поступательные и вращательные гармонические колебания в вязкой несжимаемой жидкости. При описании течения используется нестационарное уравнение Навье-Стокса в терминах завихренности w и функции тока ψ 
где Δ – оператор Лапласа, κ - безразмерная амплитуда поступательных колебаний.
Решение поставленной задачи строится в виде асимптотического разложения неизвестных и по степеням κ, ограничиваясь первыми четырьмя членами
В рамках построенного в четвертом члене разложения решения впервые была найдена поправка крейсерской скорости uꝏ порядка O(κ2), таким образом, была определена нелинейная зависимость скорости от всех четырех параметров задачи: безразмерной частоты и амплитуд поступательных и вращательных колебаний, а также сдвига фаз.
Данная работа выполнена при поддержке РНФ 22-79-10033
1. Anisimov, V. Propulsive motion of a cylindrical vibration-driven robot in a viscous fluid / V. Anisimov [et al.] // Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Fiziko-Matematicheskie Nauki. — 2024. — Vol. 166, no. 3. — P. 277—296.
2. Egorov, A. Optimization of the Movement of a Cylindrical Vibration Driven Robot in a Viscous Fluid, Induced by Pendulum Oscillations of the Internal Mass / A. Egorov, A. Nuriev, V. Anisimov // Lobachevskii Journal of Mathematics. — 2023. — Jan. — Vol. 44. — P. 4438—4447.
3. Nuriev, A. N. Asymptotic theory of a flapping wing of a circular cross-section / A. N. Nuriev, A. G. Egorov // Journal of Fluid Mechanics. 2022. Vol. 941. A23.
Вадим Дмитриевич Анисимов
Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН
Рассматривается трехточечный изгиб композитной балки прямоугольного профиля c известными параметрами: w, h – ширина и толщина образца, r – радиус цилиндрических опор, L – расстояние между центрами опор, v – прогиб, P – нагрузка. Для повышения точности необходимо учитывать смещение точки опоры образца по вертикали, уменьшение длины пролета балки и изменение направления силы реакции опоры. Цель работы состоит в оценке влияния обкатывания опор образцом на погрешности экспериментального определения упругих и прочностных свойств композитов.
Задача обкатывания не имеет решения в замкнутом виде, но можно провести ряд оценок, принимая некоторые упрощения. Первым из них является пренебрежение поправкой к прогибу от сдвигов, а вторым – замена классической формы нейтральной оси на дугу окружности. Также стоит добавить, что сила реакции опоры всегда направлена вертикально, и тогда дополнительный момент от горизонтальной составляющей учитывать не надо.
В итоге, приближенные оценки будут представлять из себя отношение уточненных механических и прочностных характеристик к стандартным – найденным из эксперимента.
Полученные результаты позволяют оценить влияние изменения радиуса цилиндрических опор на определяемые в эксперименте параметры с заведомой точностью (менее 1%).
Артём Eduardovich Поляков
Уфимский государственный нефтяной технический университет
В работе представлена методика оценки накопленных повреждений конструкционной стали 09Г2С на основе анализа интегрального параметра R, рассчитываемого по результатам акустического отклика, возбуждаемого ударным воздействием. Эксперимент выполнен на плоском образце, на поверхности которого размечено 12 точек. Нагружение проводилось до разрушения (7500 циклов) с шагом 500. В близи точки 1 с использованием ударного датчика лимба, входящего в состав системы «Эксперт М-19», создавались импульсные воздействия, инициирующие формирование затухающих поверхностных акустических волн, регистрируемых микрофоном. Параметр R рассчитывался как отношение длительности волнового процесса T к амплитуде первого импульса D [1].
Полученные зависимости R от относительного уровня повреждений Ni/Np выявили характерные этапы деградации. После Ni/Np ≈ 0.5 во всех точках наблюдается снижение R, что отражает потерю упругих свойств материала. Особый интерес представляет поведение точки 11 (тёмная линия), где при Ni/Np ≈ 0.8 фиксируется экстремальное увеличение до 2,9, R - вероятный признак локального резонансного отклика ослабленного участка перед разрушением (Рис. 1.).
Рис. 1 Зависимость интегрального параметра механических свойств R от уровня накопленных повреждений Ni/Np
Максимальные значения R (более 10) зафиксированы в точке 7 при Ni/Np ≈ 0.25–0.3.
Существенные флуктуации также отмечены в точках 4 и 6, отражающие локальное неравномерное накопление повреждений. Подобные скачкообразные изменения параметра R могут быть связаны с формированием поверхностных дефектов, изменяющих условия распространения акустических волн. Это подтверждает высокую чувствительность параметра R к локальным изменениям состояния материала на поверхности — таким как микротрещины, пластическая деформация и изменение микрорельефа. Такой подход делает метод эффективным для оценки состояния поверхностных зон, поскольку вся информация извлекается из характеристик отклика, распространяющегося вдоль поверхности материала.
В перспективе возможна интеграция методов искусственного интеллекта для автоматической обработки сигналов и распознавания закономерностей, отражающих стадии повреждений. Применение ИИ повысит точность и скорость диагностики элементов конструкций.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ «Прогнозирование уровня деградации свойств сварных соединений с помощью искусственного интеллекта для выявления и предотвращения аварийных ситуаций».
1. Гафарова В.А., Шерматов Д.Н., Баязитов М.И., Арсланов А.Л. Разработка алгоритма создания цифрового двойника сварного соединения оболочковой конструкции. Часть 1 / Нефтегазовое дело. 2023. Т. 21. № 5. С. 198-211.
Александр Олегович Борисов
Харбинский политехнический университет
Wildfire suppression requires efficient and precise intervention technologies. To address limitations in range and accuracy of conventional firefighting methods, this paper proposes an integrated design solution for a guided fire suppression rocket. The design incorporates an aerodynamically optimized airframe structure (with rudder configuration) and optimized control laws to ensure stable low-altitude flight and attitude control. The development process adopts Model-Based Systems Engineering (MBSE) methodology, encompassing aerodynamic simulations (CFD), structural Finite Element Analysis (FEA), and Hardware-in-the-Loop (HIL) testing – delivering results that closely approximate physical testing outcomes.
Qixun - Wang
ФАУ «ЦИАМ им. П.И. Баранова»
Исследование посвящено анализу устойчивости и несущей способности тонкостенных оболочек, работающих в условиях внешнего давления , что актуально для вакуумных барокамер, применяемых в аэрокосмической, судостроительной и электронной промышленности. Главная сложность проектирования таких конструкций заключается в высокой склонности оболочек к потере устойчивости (см. Рис.) при сравнительно низких нагрузках. Это требует разработки методов, позволяющих обеспечить необходимую прочность при минимальной материалоёмкости.
Подкрепленная оболочка моделировалась в виде осесимметричной трубы с периодическим подкреплением кольцевыми шпангоутами. Для оценки устойчивости применялся метод конечных элементов (МКЭ) в линейной постановке, с учётом глобальных и локальных форм потери устойчивости. На внешнюю поверхность оболочки накладывалось постоянное давление.
Критериями оптимизации выступали коэффициент устойчивости и погонная масса конструкции. Оптимизационная задача формулировалась с введением эквивалентной относительной толщины оболочки, включающей вклад от размеров шпангоутов. Для нахождения рациональных параметров (L – шаг шпангоутов, h = H/L – относительная высота шпангоута, m = M/L – относительная ширина полки шпангоута) применялись прямые алгоритмы оптимизации и суррогатные модели, позволяющие сократить вычислительные затраты.
Результаты представлены в виде обобщённых зависимостей и изоповерхностей предельной нагрузки, что обеспечивает практическую применимость методики на ранних этапах проектирования. Разработанный подход позволяет повысить надёжность конструкции и снизить её массу, что особенно важно для авиационной и космической технике. Перспективы дальнейших исследований связаны с расширением классов оболочек и видов нагружения.
Тимофей Владимирович Виноградов
Центральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н.Е. Жуковского
Физическое, математическое и численное моделирование процессов, сопровождающих движение жидкости со свободными границами представляет большой интерес в широкой области приложений. Для исследования динамики пограничного слоя вблизи гидрофобных покрытий при вымывании из их пор пузырьков воздуха создана гидродинамическая установка, в которой проведены измерения аэрогидродинамических сил, действующих на вращающееся в потоке цилиндрическое тело. Максимальная скорость потока жидкости 7 м/c, оригинальная конструкция позволяет проводить эксперименты как с открытой, так и закрытой рабочей частью, получены и описаны предварительные результаты. На основе проведенных экспериментов и анализа данных других исследователей сформулирована система из 12 уравнений и программа, позволяющая рассчитать технические характеристики и физические параметры транспортного средства, движущегося по воде на колесах. Основными параметрами являются Δ/R – безразмерная глубина погружения колеса, V2/gR – число Фруда, h/R – безразмерная высота грунтозацепов, – мощность водокатного движителя и аэрогидродинамические коэффициенты, которые зависят от формы и безразмерных аэрогидродинамических параметров – числе Фруда, Рейнольдса, Бонда, Вебера и др. Здесь R – радиус колеса, N – колес, g – ускорение свободного падения, V – скорость движения, ρ – плотность воды, – угловая скорость, H – ширина колеса, h – высота грунтозацепов, – коэффициент полезного действия, Cd – коэффициент тяги, l = 2R arccos(1 – Δ/R) длина контакта колеса с водой. Величина тяги водокатного движителя определяется следующим выражением на основе моделей Эпштейна[1] Fx= Nρ (H R ω2) arccos(1 – Δ/R) γ = Cx ρв V2 S/2 = Mg/K, здесь M – масса аппарата, γ коэффициенты пропульсивной силы, Cx – коэффициент сопротивления, ρв – плотность воздуха, K – введенный в настоящей работе коэффициент качества аквапланирования, от него в значительной степени зависит γ = const= 0.694 (из сравнения с данными по силе тяги работы Эпштейна [1] ) Получены экспериментальные зависимости подъемной силы вращающегося в потоке колеса с грунтозацепами от глубины погружения и числа Фруда. Получены минимальные значения угловой скорости вращения колеса, соответствующие движению транспортного средства заданной массы, при заданной глубине погружения и скорости при отсутствии других горизонтальных сил (тяга винта, сопротивление воздуха и др.). Экспериментальные результаты в определенных диапазонах с данными работ [1–3], различия вызваны наличием расположенных под углом довольно крупных грунтозацепов и некоторыми особенностями проведения эксперимента, в частности, зависимости угловой скорости вращения от горизонтальных сил при измерении вертикальных.
Иван Алексеевич Амелюшкин
Факультет аэрофизики и космических исследований МФТИ, Москва
При моделировании материалов с ползучестью в рамках линейной теории Вольтерра могут быть использованы интегральные операторы с сингулярными ядрами типа Работнова, обуславливающие эффект памяти материалов. Эта теория применима к широкому классу аморфных и гетерогенных материалов, демонстрирующих наследственные свойства.
Автором настоящей работы были доказаны существование, единственность и бесконечная дифференцируемость решений в классическом и сильном смыслах в случае переменных, в том числе разрывных, коэффициентов. В одномерном случае общее решение может быть выражено через ряды Фурье, что позволяет эффективно анализировать динамику процессов ползучести на тестовых задачах. Кроме того, разработаны экспериментальные методы определения параметров материалов по кривым ползучести при произвольном нагружении, что расширяет применимость модели.
Помимо прочего предложен алгоритм численного решения волнового уравнения с памятью 1D, 2D и 3D. После преобразований исходное уравнение с абелевским ядром сводится к системе, содержащей дробную производную по времени. Для численного решения применена схема Лакса–Вендроффа для дискретизации пространственной части. При численном решении получающейся таким образом системы из-за дробной производной требуется интегрирование по всем предыдущим временным слоям, что учитывает историю нагружения материала.
Алгоритм реализован для одно- и дву- и трёхмерных случаев на Python и C++ [1]. Проведены численные исследования порядка аппроксимации, устойчивости и сходимости, подтвердившие эффективность предложенного метода. Исследование выполнено при поддержке гранта Российского Научного Фонда (проект №23-11-00035).
Даниил Андреевич Приказчиков
Уфимский государственный нефтяной технический университет
Рис. 1. Распределение напряжённости магнитного поля ΔH в основном металле, в точках измерений на различных стадиях накопления повреждений (а-образец №1 без сварного шва (зона разрушения между точками 11 и 12), б-образец №2 с сварным швом (зона разрушения между точками 6 и 7), Ni/Np=0.32, 0.64, 0.96)
Основное оборудование нефтегазовой отрасли представляет собой сварные оболочковые конструкции, при эксплуатации которых возникают сложности с оценкой накопленных повреждений вследствие большой протяженности и ограниченной доступностью сварных швов. Для решения проблемы необходимо определить физические поля, которые реагируют на уровень накопленных повреждений. Наиболее подходящими для этого являются собственные магнитные поля конструкционного материала [1]. На первой стадии работы изучали начальные свойства сварного соединения. Для этого фиксировали распределение магнитного поля в образцах из стали 09Г2С. Далее образцы сваривались электродами марки УОНИ13/55 и снова проводили измерения распределения магнитных полей.
Наиболее информативные магнитные параметры, в том числе напряжённость собственного магнитного поля (ΔH), целесообразно измерять в условиях предварительной активации напряжённого состояния, что позволяет регистрировать начальные этапы перераспределения остаточных напряжений, предшествующие разрушению.
На образце без сварного шва уже при Ni/Np = 0,32 чётко выделяется зона между 11 и 12 точками, в которой впоследствии и произошло разрушение. На этой стадии зафиксирована смена знака ΔH с положительного на отрицательный, указывающая на локальное накопление растягивающих напряжений. С увеличением числа циклов (до Ni/Np = 0,96) происходит вторичная инверсия ΔH, что связано с перераспределением напряжений. Аналогичные изменения, хотя и менее выраженные, наблюдаются в точке 10, расположенной вблизи зоны разрушения, что позволяет использовать её как индикатор границы развивающегося очага. На образце со сварным соединением признаки формирования разрушения также регистрируются на ранней стадии нагружения. Уже при Ni/Np = 0,64 в точках, примыкающих к шву (5–7), наблюдается устойчивая смена знака ΔH. Факт разрушения в области шва подтверждает надёжность магнитных параметров как предикторов предельного состояния. Пространственно-временное поведение ΔH, особенно его инверсия и подавление в зоне будущего разрушения, позволяет идентифицировать опасные участки задолго до макроскопических проявлений. Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ «Прогнозирование уровня деградации свойств сварных соединений с помощью искусственного интеллекта для выявления и предотвращения аварийных ситуаций».
1. Гафарова В.А., Шерматов Д.Н., Кузеев И.Р., Баязитов М.И., Абдрафиков Д.У., Масловская С.В., Арсланов А.Л. Разработка алгоритма формирования цифрового двойника оболочковой конструкции. Часть 2 // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. 2024. Т. 14. № 6. С. 548-561.
Джамшед Наимджонович Шерматов
НИИ механики МГУ
Рассматривается динамика подвешенного маятника со сферической полостью, частично заполненной идеальной жидкостью. Предполагается, что движение происходит в вертикальной плоскости. Учитывается сила лобового сопротивления, действующая на оболочку маятника. Для моделирования колебаний жидкости в полости, используется феноменологическая «маятниковая» модель. Такие системы могут использоваться в практических задачах [1].
Чтобы описать динамику жидкости внутри полости, будем действовать по аналогии с «маятниковым» подходом, представленным в работах [2], а также [3]. Выделим в жидкости часть, которая участвует в колебаниях поверхности, и часть, которая не участвует в них. Поведение первой части будем имитировать с помощью математического маятника (так сказать, «жидкого осциллятора»), точка подвеса которого находится на пересечении вертикальной прямой, проходящей через центр полости, и плоскости поверхности жидкости в невозмущенном состоянии.
Будем считать, что вторая часть жидкости совершает квазистационарное движение, т.е. во все время движения занимает положение, отвечающее состоянию равновесия при текущем положении маятника. Длина «жидкого осциллятора» определяется таким образом, чтобы собственная частота осциллятора совпадала с частотой первой моды собственных колебаний жидкости в полости вблизи состояния равновесия.
Проведена серия экспериментов в аэродинамической трубе А-10 НИИ механики МГУ, по результатам которых удалось идентифицировать описанные выше величины. Исследовано, как жидкость влияет на движение маятника в потоке среды. Как изменяется амплитуда и частота колебаний в зависимости от уровня жидкости в сосуде. Определено, насколько отклоняется жидкость при разных движениях маятника.
1. Голуб А.П., Зудов В.Б., Локшин Б.Я., Селюцкий Ю.Д. О робастной стабилизации движения квадрокоптера с подвешенным грузом // Мехатроника, автоматизация, управление. 2024. Т. 25. № 9. С. 490-500. DOI: 10.17587/mau.25.490-500.
2. Moriello L., Biagiotti L., Melchiorri C., Paoli A. Manipulating Liquids with Robots: A Sloshing-Free Solution // Control Engineering Practice. 2018. V. 78. P. 129-141. DOI: 10.1016/j.conengprac.2018.06.018.
3. Колесников К.С. Динамика ракет. М.: Машиностроение. 1980. 376 с.
Андрей Петрович Голуб
