Я бы в композитчики пошел. Где меня научат?

– Инициатором и "собирателем" нового профиля подготовки бакалавров по направлению "Кораблестроение, океанотехника и системотехника объектов морской инфраструктуры", который был открыт в СПбГМТУ почти пять лет назад, стала наша кафедра строительной механики корабля.

Такое же название получила дополнительная профессиональная программа повышения квалификации (ДПППК), разработанная в рамках реализации проекта "Приоритет 2030" в 2022 г. Это интенсивный 72-часовой курс, охватывающий основы механики, материаловедения, технологии и испытаний изделий из композитов, элементы нормативной базы, конструкции маломерных судов и ремонта. Он рассчитан на специалистов, уже имеющих высшее образование.

По сравнению с традиционными кораблестроительными профилями новый профиль  подготовки имеет ряд отличий. Студентам младших курсов дополнительно читают "Химию полимеров", "Основы формообразования неметаллов", "Материаловедение современных и перспективных материалов", "Программные системы инженерного анализа". На это отводится 252 аудиторных часа. Программа старших курсов дополнена "Механикой композитов", "Основами компьютерного моделирования конструкций" и "Технологией изготовления судовых конструкций из композитов". При этом мы остаемся в рамках образовательного стандарта и не лишаем студентов знаний по судовым системам и устройствам, сварке или теории корабля.

При создании профиля очень долго достигался баланс между требованиями стандарта и желанием сохранить гармонию. Определенные возможности дает гибкость аппарата дисциплин по выбору. Например, "Основы формообразования неметаллов" могут быть заменены "Основами фото- и термохимии", а "Компьютерное моделирование" – "Оптимизацией конструкций". Это позволяет настроить профиль под конкретные компетенции выпускника.

– Отраслевые эксперты привлекаются к преподаванию?

– Безусловно. Сложилось даже определенное разделение труда между нашими коллегами. Специалисты Средне-Невского судостроительного завода (СНСЗ) способствуют организации производственной и преддипломной практики четвертого курса, а в ряде случаев – и учебной для второкурсников-целевиков. Коллеги из секторов конструкции и прочности ЦМКБ "Алмаз" и того же СНСЗ организуют экскурсии студентов в свои подразделения. Отдельные занятия в рамках практики проводятся в Крыловском государственном научном центре (КГНЦ). Специалисты ЦНИИ КМ "Прометей" и КГНЦ составляют треть Государственной экзаменационной комиссии по приему выпускных квалификационных работ студентов.

Весьма полезными и продуктивными за прошедшие годы были контакты с "СК "Мобиле Груп",  заводом "Пелла", ЦТСС и Троицким крановым заводом.

– Какие практические занятия включены в программу обучения? Будет ли в учебном процессе задействована композитная верфь, создаваемая на Корфаке?

– Начну с бюджетного профиля. Здесь присутствуют деление на занятия и практики. Занятия мы традиционно делим на практические (компьютерное моделирование с использованием аналитических либо численных методик) и лабораторные (изготовление и испытания образцов композитов с помощью силового и измерительного оборудования). Практики же делятся на учебную (связанную с освоением компьютерных технологий моделирования, регистрации и обработки измерений – она проводится после второго курса) и производственную. В рамках производственной практики студент погружается в технологический процесс реального предприятия.

Пока композитное производство маломерных судов, роботов и моделей (на базе которого, надеемся, в СПбГМТУ разовьется настоящая композитная верфь) задействовано в учебном процессе точечно. Это, как правило, отдельные занятия, где вся учебная группа может изготовить композитную балку, принять участие в создании элемента набора лодки или процессе изготовления оснастки, а также в измерениях готовых объектов.

По одному-два студента из каждой группы во внеучебное время регулярно участвуют в проектах. Это настоящие энтузиасты. Охватить таким процессом всех подряд пока не позволяют производственные условия, недостаток оборудования, материалов, средств индивидуальной защиты. Но наша цель именно такая: вынести большинство практических и лабораторных занятий на учебную верфь, при этом, как  модно говорить, расположенную "в шаговой доступности".

Ездить на предприятия-партнеры имеет смысл во время летней практики. В ходе же семестров длинное логистическое плечо никакой пользы не даст, а учебный план, даже у композитчиков, увы, не резиновый. Необходимо либо выносить учебный процесс на предприятие, но тогда это уже не предприятие, либо иметь собственные производственные и лабораторные участки.

Говоря о новейшей программе повышения квалификации ДПППК, можно лишь повторить, что и ее освоение крайне желательно проводить в условиях учебной верфи с реальными объектами. Тогда весь заявленный "интенсив" безусловно сработает.

– Корабелка имеет практические компетенции композитного судостроения?

– Если не считать большой опыт 1970-1980-х (включавший и выпуски "стеклопластиковых корабелов", и собственное производство гидролыж, и многое другое), мы уже в течение шести лет накапливаем опыт создания композитных судов. Собственно, активность отдельных специалистов со своими проектами и помогла сначала заговорить об этом направлении подготовки, а затем и начать его развивать.

Группа молодых сотрудников Корфака, выполняющих с 2015 года изготовление стеклопластиковых корпусов надводных роботов-глайдеров, собранная ими в те же годы для участия в международных регатах судов на мускульной тяге команда студентов "Ватербайк" и инициативное бюро факультета "Л.О.Д.К.А.", занявшееся созданием электрических гоночных лодок для "Солнечных регат", а также малых, "кадетских" шлюпок спроектировали, построили и эксплуатируют 11 стекло- и углепластиковых судов. 

Три надводных робота, три водных "велосипеда" и пять фанерно-стеклопластиковых лодок. Еще два судна – стеклопластиковая шлюпка-сэндвич и большой мореходный катер (до 1 т) находятся в стадии достройки.

Небольшие объекты (корпуса роботов, отдельных велосипедов) сформованы с использованием вакуумной инфузии. Для остальных основным технологическим методом пока остается контактное формование.

Через эти проекты за прошедшие годы прошло более 50 студентов. Сегодня мы не испытываем, например, недостатка в простых лабораторных образцах. Часть материалов закуплена по темам грантов, часть предоставили партнеры (СНСЗ).

Начав с довольно любительской формовки, наши молодые коллеги с кафедры проектирования судов вышли на неплохие результаты. Так, 5,5-метровый ватербайк "Березка", спущенный в 2021 году, имеет карбоновый корпус, изготовленный полностью инфузией и вместе с набором весящий всего 16 кг. Это уже действительно "велосипед"! Катамаран из стеклопластика "Неваляшка", сделанный двумя годами ранее, тянул за полсотни… Тут хочется в очередной раз поблагодарить Средне-Невский завод за помощь материалами.

"Березку" в прошлом году удалось испытать и в качестве СПК. Сформовали крыльевые устройства и встали на крыло с двигателем всего в 1 кВт. А в 2021-м "Березка", дооборудованная солнечными панелями, показала неплохой результат на соревнованиях "Солнечная регата" в Нижнем Новгороде.

– Ремонт и восстановление входит в список учебных тем?

– В рамках дополнительной профессиональной программы повышения квалификации ремонту и реновации отведены два трехчасовых занятия. Первое – ремонту как таковому, его видам, срокам и предпосылкам, а также нормативным документам, регламентирующим ремонты судов. Второе занятие посвящено технологическим приемам и последовательности выполнения ремонта композитных корпусов. При этом отдельно, рассматриваются виды эксплуатационных повреждений. Оба этих занятия пока сугубо теоретические.

В профиле подготовки бакалавров имеется курс "Проектирование высокоскоростных судов". Абсолютное большинство сегодняшней композитной маломерки (исключая парусную) – суда скоростные, часто глиссирующие, со своей спецификой внешних нагрузок и, соответственно, со своими повреждениями. Здесь, а также в рамках дисциплины "Технология изготовления судовых конструкций из композитов" выделяется несколько тем, посвященных ремонту и реновации катеров и катамаранов.

– С каким специализированным софтом знакомят в рамках программы?

– В классе тяжелых САПР освоение дисциплин "Проектирование судов" и "Проектирование высокоскоростных судов" традиционно ориентировалось в Корабелке на зарубежное ПО: FORAN, AVEVA, Nupas Cadmatic, Napa, NX. При помощи партнеров к нам попадали учебные лицензии. На сегодняшний день происходит переориентация на отечественные платформы.

Замечу, что проектирование не ограничивается только CAD-системами, пусть даже и ориентированными на судостроение. Моделирование деформирования, испытаний, а также изготовления композитных изделий требуют широкого использования CAE, т.е. инжиниринговых программ. Это и есть наша "фишка". Сегодня мы в состоянии увязать воедино моделирование внешних нагрузок (как с использованием т.н. потенциальных решений по методу граничных элементов, так и с использованием CFD-решателей), моделирование упругого напряженно-деформированного состояния, и моделирование разрушения с использованием конечно-элементных платформ. При этом учитывается сложная многоуровневая структура материала, в математические модели внедряются результаты опытов, во внимание принимается история формирования изделия (например, раскрой, выкладка, пропитка, отверждение с нагревом или охлаждением) с существенным изменением свойств во времени.

Стоит отметить, что сегодня остро стоит вопрос адекватной замены иностранных процессоров AQWA, LS-DYNA. Нам приходится присматриваться к композитным модулям отечественных APM FEM’а, FIDESYS’а, ЛОГОСа после 20-30 лет работы с продуктами ANSYS и MSC.

Поскольку кафедра строительной механики корабля имеет более чем полувековой опыт не только использования, но и собственной разработки вычислительных решений, надеемся, что переход на отечественный софт, включая и программы обработки результатов испытаний, не вызовет существенных проблем. Мы знаем, чего требовать от ПО, и как его адаптировать к нашим задачам.

– Предполагается ли знакомство студентов с современным зарубежным опытом строительства и проектирования судов из композитов?

– Безусловно, насколько это возможно в современных условиях. С точки зрения научных публикаций и видеоматериалов особых ограничений нет. Однако вывезти студентов для сравнения нашего композитного производства и, скажем, финского, на сегодняшний день более чем проблематично. Ряд отечественных проектантов и изготовителей судов из ПКМ имеет богатый опыт работы за рубежом, многие в прежнее время фактически "привезли" в Россию проекты и технологии, и к ним мы, конечно же, рассчитываем обращаться. Нашим обучающимся очень понравились экскурсии на малые предприятия Петербурга, к примеру, на производство компании "Скоростные катера Мобиле Групп" и знакомство с их небольшим проектным отделом.

– Происходит ли в рамках обучения знакомство с использованием композитов в маломерном судостроении?

– По большей части программа ориентирована как раз на маломерное судостроение. Безусловно, и большие корабли из КМ, и устройства управления движением ПЛ, и элементы пропульсивного комплекса из ПКМ, и железобетонное судостроение – это все предметы нашего пристального внимания. Но маломерка на сегодня – это основной источник экспериментальной, опытной, статистической информации о морских композитах. Где, скажем, вы еще найдете в большом количестве корпуса, отходившие и пять, и 10, и 15 лет?

– "Технологию полимерных композиционных материалов" начнут преподавать и в рамках передовой инженерной школы. В чем особенности этого курса?

– Названная вами "Технология полимерных композиционных материалов" – также дополнительная профессиональная программа повышения квалификации объемом 72 часа. Это результат работы наших коллег-материаловедов из научно-образовательной лаборатории "Интеллектуальные передовые лазерные и электрофизические производственные технологии" Передовой инженерной школы (ПИШ) СПбГМТУ. Как указано в описании этой ДПППК, рассматриваемые технологии более применимы не к корпусным деталям, а к узлам оборудования, включая элементы пропульсивного комплекса.

Находящееся в открытом доступе содержание программы содержит разделы, схожие с нашими. Примерно половину курса составляют способы определения механических свойств и методы испытаний ПКМ. Вторая часть посвящена вопросам технологии, экономической целесообразности и доступности таких материалов для элементов судового оборудования. Скорее всего, "Корабелу" понадобится дополнительное интервью с разработчиками этой программы. Мы же, со своей стороны, полагаем, что и традиционные методы формования судовых конструкций из ПКМ далеко не исчерпали себя, а методы проектирования судовых конструкций из них еще представляют интерес для инженеров и исследователей.

– Глеб Туричин в интервью нашему журналу подчеркивал, что СПбГМТУ вводит в учебный процесс те специализации, на которые есть спрос. Т.е. потребность в знаниях в области композитов есть?

– Спрос есть. Я уже называл предприятия и организации-партнеры, которые взаимодействуют с Корабелкой на ниве развития композитного профиля. И у этих предприятий более чем серьезные контракты на разработку новых отечественных материалов и изготовление изделий из них: начиная с корпусов морских роботов до катушек термоядерного реактора. Морская специализация, кстати, не ограничивает выпускников в выборе места приложения полученных знаний. Нефтегазовая отрасль, промышленное и гражданское строительство, авиация – все это сегодня весьма и весьма нуждается в специалистах-композитчиках – конструкторах, технологах, прочнистах, материаловедах.

Месяц назад к нам обратились представители производственной фирмы по проектированию и изготовлению… наружной рекламы. И там, как ни странно, те же корпусные композитные конструкции: подкрепленные, формуемые, со специфичными динамическими нагрузками, с особой нормативной базой… Так что спрос на грамотных и ответственных специалистов, видящих всю "матрешку", т.е. не только многослойность, но и многоуровневость композитных конструкций, существует.

Статистика по первому выпуску такова. Из восемнадцати поступивших, успешно закончило профиль и получило диплом бакалавра 15 человек. Из них 10 продолжило обучение, поступив в магистратуру СПбГМТУ (шестеро – по программе кораблестроения ПИШ, а четверо – по программе прикладной механики). Трудоустроены на сегодня практически все. Трое трудятся на СНСЗ, двое – в ПКБ "Айсберг", один – в Невском ПКБ, четверо – в научно-образовательных организациях. Отметим, что группы "композитчиков" демонстрируют высокую академическую устойчивость (низкий процент отчислений), хорошую успеваемость и мотивированность. Это следствие и того информационного фона, который сопровождает композиты в других отраслях.

С учетом расширения, а точнее, восстановления на СНСЗ специфики, связанной с маломерными судами (спасательными шлюпками), следует ожидать увеличения востребованности в молодых специалистах.

– Участвуете ли вы в программе разработки грузовых систем для транспортировки сжиженного газа?

– Кафедра строительной механики корабля участвовала в совместной разработке концептуального проекта судна-газовоза с вкладными танками типа "В", обладающих существенными габаритами, где проводились исследования по обоснованному выбору конструкции и материалов. Принятие такого рода новых и "несколько нестандартных" решений требуют тщательной оценки и установления определяющих параметров внешней нагрузки. Рассматривались традиционные металлические материалы (сталь, алюминиевый сплав), а также полимерные композиционные материалы. В сотрудничестве с коллегами из Сколково было установлено, что с точки зрения эксплуатационных характеристик выигрывает вариант из ПКМ, но встает экономический вопрос производства (где и за сколько) и особенностей работы композитов при криогенных температурах (нужны множественные специализированные испытания материала при минус 165 °C). Это делает выбор конструктивного варианта не таким уж однозначным.

Именно такие экспертные оценки привели к необходимости создания цифровой платформы проектирования конструкций из ПКМ, работы по которой проводятся коллективом кафедры строительной механики корабля в рамках программы "Приоритет 2030"

В рамках консорциума по вопросам моделирования ПКМ мы тесно сотрудничаем с Институтом гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН, в области проектирования пространственно-стержневых конструкций из углеровингов для высоконагруженных конструкций ведутся совместные работы с Троицким крановым заводом, а задачи проектирования элементов судовых валопроводов из композитов нам помогает решать Российский морской регистр судоходства.

Опыт и результаты разработки цифровой платформы задействованы и в учебном процессе. В рамках профиля подготовки "Проектирование и производство конструкций морской техники из композиционных материалов", с разговора о котором мы начали, наши студенты сейчас активно участвуют в работе, пишут выпускные квалификационные работы, участвуют в научно-технических конференциях, а особо отличившиеся имеют публикации в рецензируемых изданиях.

– Каким вам видится развитие композитного направления в СПбГМТУ?

– Хотелось бы расширить экспериментальную базу, получить возможность для создания в стенах "Корабелки" стендов для испытаний, прототипирования перспективных объектов и верификации работы цифровой платформы, повышения ее эффективности с выходом на российский рынок. В ближайшем будущем мы планируем дооснастить на кафедре новым оборудованием экспериментальную лабораторию и получить сертификацию РМРС. Также мы должны наладить прямую связь с производителями материалов, чтобы база знаний цифровой платформы всегда оставалась актуализированной и, что наиболее важно, содержала проверенные данные по физико-механическим и прочностным свойствам композитам разного типа.