Молодые ученые Института математики и механики им. Н.И. Лобачевского Казанского федерального университета разрабатывают инновационный метод определения механических свойств образцов из неоднородных материалов по данным цифрового двойника, полученного с помощью компьютерной томографии.

Проект «Разработка метода определения механических параметров негомогенных материалов на основе данных цифрового двойника» стал победителем конкурса грантов 2024 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».

Руководитель проекта, старший преподаватель кафедры компьютерной математики и информатики, научный сотрудник лаборатории механики оболочек НИЦ НИИММ им. Н.Г. Чеботарева Института математики и механики КФУ Олег Герасимов рассказал об инновационном методе и о том, где он может найти применение.  

«Мы создаем программный комплекс, уникальность которого заключается в том, что для исследования образцов используется метод конечных элементов, основанный на применении КТ-снимков. Сначала программа по снимку воссоздает расчетную геометрию объекта, затем "разбивает" ее на элементы с уникальными механическими свойствами, проводит расчет и на основе полученных результатов определяет прочность и другие параметры образца в целом», – рассказывает О. Герасимов.

В команду участников проекта входят также научные сотрудницы лаборатории механики оболочек Виктория Смирнова и Елена Семенова. Исследования проводятся в тесном взаимодействии  с Институтом фундаментальной медицины и биологии и Институтом геологии и нефтегазовых технологий КФУ.

«Наш метод может использоваться, к примеру, для определения наличия или отсутствия дефектов в композитных материалах, а также для анализа напряженно-деформированного состояния органов скелета человека в биомедицине, – рассказывает Герасимов. – Важно, что все расчеты выполняются без разрушения исходных образцов. Более того, результаты могут быть получены для различных видов нагружения, что позволяет использовать исходный массив данных компьютерной томографии для произвольных параметров моделирования. В качестве расчетных объектов могут выступать как элементы технических конструкций, состоящие из композитных материалов, так и биологические образцы негомогенной структуры, расчет которых необходимо проводить с учетом уникальных структурных особенностей материала. В случае исследования объектов биомедицины метод позволяет получать результаты независимо от геометрических и топологических особенностей материала».

Разрабатываемый в КФУ метод в медицине может применяться, к примеру, для диагностики и прогнозирования состояния костных протезов, а также костных органов, сообщил механик.

«С помощью него можно отслеживать процесс деградации костной ткани при остеопорозе или, наоборот, то, как идет ее восстановление», – проинформировал Герасимов.

Проект рассчитан на 2025–2026 гг. В рамках работы планируется постановка натурных испытаний на образцах моделируемой структуры, произведенных с применением аддитивных технологий, а также проведение вычислительных экспериментов на образцах костных органов.

«Полученные результаты позволят оценивать прочность элементов из неоднородных материалов на основе данных о пространственном распределении механических свойств, что также может быть использовано при исследовании вопросов оптимизации конструкций при производстве элементов нетривиальной структуры и геометрии», — сообщил заведующий кафедрой компьютерной математики и информатики ИМиМ Оскар Саченков.