The Problematics of Predicting the Quality of Aircraft Structures Made of Polymer Composite Materials

A. N. Shustov; A. A. Chekalkin; G. S. Shipunov

doi:10.17804/2410-9908.2026.2.019-027

A. N. Shustov, A. A. Chekalkin, G. S. Shipunov

THE PROBLEMATICS OF PREDICTING THE QUALITY OF AIRCRAFT STRUCTURES MADE OF POLYMER COMPOSITE MATERIALS

DOI: 10.17804/2410-9908.2026.2.019-027

This study addresses the issue of predicting the quality of aircraft structures made of polymer composite materials. It analyzes the experience of the global and domestic aviation industries in implementing polymer composite materials, using the Boeing 787, Airbus A350, and MC-21 aircrafts as examples. The heightened and specific requirements for the mechanical and operational characteristics of aircraft structures made of polymer composite materials are highlighted, stemming from their anisotropy, sensitivity to impact damage, and the influence of hygrothermal factors. The study identifies a fundamental problem, namely the lack of a generalized methodology relating manufacturing process parameters to guaranteed operational properties of the final product. Based on this analysis, a relevant scientific and technical problem is formulated as the need to develop a predictive model enabling the implementation of the core process–material–structure principle. As a solution, the concept and structure of a multilevel hybrid predictive model are proposed. The model integrates deterministic physical and mathematical modeling, statistical uncertainty analysis, and machine learning methods.

Keywords: polymer composite materials, aircraft manufacturing, quality prediction, process parameters, operational characteristics, mathematical modeling

References:

Ermekbaev, S.Sh. On some issues of aircraft reliability. In: Trudy simpoziuma “Nadezhnost i kachestvo” [Proceedings of the International Symposium on Reliability and Quality, Penza, 2017]. PGU Publ., Penza, 2017, 1, 139–142. (In Russian).
Kostenkov, V.A., Glazunova, A.A., and Solonsky, N.S. Application of new‑generation composite materials in civil aviation. Nauchnyy Aspekt, 2024, 6, 6881–6892. (In Russian).
Akhmed, N.A. The role of composite materials in aircraft manufacturing: how they revolutionized aircraft design. Aktualnye Issledovaniya, 2025, 7 (242), part 2, 12–14. (In Russian).
Savin, S.P. Application of modern polymeric composite materials in the design of MS-21 airplane family. Izvestiya Samarskogo Nauchnogo Tsentra Rossiyskoy Akademii Nauk, 2012, 4–2, 686–693. (In Russian).
Tsypaev, N.D. Composite blade PD‑35. In: Materialy XVI Vserossiyskoy molodezhnoy nauchnoy konferentsii “Mavlyutovskiye chteniya” [Mavlyutov Readings: Proceedings of the 16^th All‑Russian Youth Scientific Conference]. UGATU Publ., Ufa, 2022, vol. 4, 115–117. (In Russian).
Grinevich, D.V., Yakovlev, N.O., and Slavin, A.V. The criteria of the failure of polymer matrix composites (review). Trudy VIAM, 2019, 7 (79), 92–111. (In Russian). DOI: 10.18577/2307-6046-2019-0-7-92-111.
Martirosov, M.I. and Khomchenko, A.V. Computational and experimental study of the behavior of a flat reinforced carbon fiber panel on impact. Trudy MAI, 2022, 126, 1–2. (In Russian). DOI: 10.34759/trd-2022-126-04.
Gibhardt, D., Buggisch, C., Meyer, D., and Fiedler, B. Hygrothermal aging history of amine‑epoxy resins: effects on thermo‑mechanical properties. Frontiers in Materials, 2022, 9, 1–14. DOI: 10.3389/fmats.2022.826076.
Ivanov, D.A., Petrova, T.V., and Davydov, I.A. Analysis of maintenance of composite materials on the Boeing-787 aircraft (Dreamliner), introduction of the concept “quick repair of the composite (QCR)” and step-by-step implementation of it. Vestnik Sankt‑Peterburgskogo Gosudarstvennogo Universiteta Grazhdanskoy Aviatsii, 2020, 2 (27), 104–118. (In Russian).
Karimbaev, T.D. Evaluation of fatigue life of products made of composite materials. Aviatsionnye Dvigateli, 2020, 4 (9), 75–93. (In Russian).
Grinev, M.A., Anoshkin, A.N., Pisarev, P.V., Zuiko, V.Yu., and Shipunov, G.S. CAD/CAE modelling of mechanical behavior of composite outlet guide vane for aircraft jet engine. Vestnik PNIPU. Mekhanika, 2015, 3, 38–51. (In Russian). DOI: 10.15593/perm.mech/2015.3.04.
Chigrinets, E. and Verchenko, A. CAD/CAM/CAE systems, OMV technologies and neural network based data analysis algorithms at the aviation industry enterprises. Trudy MAI, 2016, 104, 1–26. (In Russian).

А. Н. Шустов, А. А. Чекалкин, Г. С. Шипунов

ПРОБЛЕМАТИКА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА АВИАЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

В рамках данного исследования рассматривается вопрос прогнозирования качества авиационных конструкций из полимерных композиционных материалов. Проанализирован опыт мирового и отечественного авиапрома по внедрению полимерных композиционных материалов на примере самолетов Boeing 787, Airbus A350 и МС-21. Выделены повышенные и специфические требования к механическим и эксплуатационным характеристикам авиационных конструкций из ПКМ, связанные с их анизотропией, чувствительностью к ударным повреждениям и влиянием гигротермических факторов. Констатируется наличие фундаментальной проблемы, заключающейся в отсутствии обобщенной методики, связывающей технологические параметры изготовления с гарантированными эксплуатационными свойствами готового изделия. На основе проведенного анализа сформулирована актуальная научно-техническая задача о необходимости разработки прогнозной модели, позволяющей реализовывать основной принцип «технология – материал – конструкция». В качестве решения предложены концепция и структура многоуровневой гибридной прогнозной модели, интегрирующей детерминированное физико-математическое моделирование, статистический анализ неопределенностей и методы машинного обучения.

Ключевые слова: полимерные композиционные материалы, авиастроение, прогнозирование качества, технологические параметры, эксплуатационные характеристики, математическое моделирование

Библиография:

Ермекбаев С. Ш. О некоторых вопросах надёжности авиационной техники // Надежность и качество, Россия, Пенза, 22–31 мая 2017 г. : труды международного симпозиума. – Пенза : Пензенский гос. ун-т., 2017. – С. 139–142. – Т. 1.
Костенков В. А., Глазунова А. А., Солонский Н. С. Применение композитных материалов нового поколения в гражданской авиации // Научный аспект. – 2024. – № 6. – С. 6881–6892.
Ахмед Н. А. Роль композитных материалов в авиастроении: как они произвели революцию в дизайне самолетов? // Актуальные исследования. – 2025. – № 7 (242), ч. II. – С. 12–14.
Савин С. П. Применение современных полимерных композиционных материалов в конструкции планера самолётов семейства МС-21 // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2012. – №№ 4–2. – С. 686–693.
Цыпаев Н. Д. Композитная лопатка ПД‑35 // Мавлютовские чтения : материалы XVI Всероссийской молодёжной научной конференции : в 6 т. – Уфа : УГАТУ, 2022. – С. 115–117. – Т. 4.
Гриневич Д. В., Яковлев Н. О., Славин А. В. Критерии разрушения полимерных композиционных материалов (обзор) // Труды ВИАМ. – 2019. – № 7 (79). – С. 92–111. – DOI: 10.18577/2307-6046-2019-0-7-92-111.
Мартиросов М. И., Хомченко А. В. Расчётно‑экспериментальное исследование поведения плоской подкреплённой панели из углепластика при ударе // Труды МАИ. – 2022. – № 126. – С. 1–20. – DOI: 10.34759/trd-2022-126-04.
Hygrothermal aging history of amine‑epoxy resins: effects on thermo‑mechanical properties / D. Gibhardt, C. Buggisch, D. Meyer, B. Fiedler // Frontiers in Materials. – 2022. – Vol. 9. – P. 1–14. – DOI: 10.3389/fmats.2022.826076.
Иванов Д. А., Петрова Т. В., Давыдов И. А. Анализ технического обслуживания композиционных материалов на самолёте Boeing-787 (Dreamliner), введение понятия «быстрый ремонт композита (QCR)» и пошаговая его реализация // Вестник Санкт‑Петербургского государственного университета гражданской авиации. – 2020. – № 2 (27). – С. 104–118.
Каримбаев Т. Д. Оценка усталостной долговечности изделий из композиционных материалов // Авиационные двигатели. – 2020. – № 4 (9). – С. 75–93.
Компьютерное моделирование механического поведения композитной лопатки спрямляющего аппарата авиационного двигателя / М. А. Гринев, А. Н. Аношкин, П. В. Писарев, В. Ю. Зуйко, Г. С. Шипунов // Вестник ПНИПУ. Механика. – 2015. – № 3. – С. 38–51. – DOI: 10.15593/perm.mech/2015.3.04.
Чигринец Е. Г., Верченко А. В. CAD/CAM/CAE системы, OMW‑технологии и нейросетевые алгоритмы анализа данных на предприятиях авиастроительной отрасли // Труды МАИ. – 2019. – Вып. 104. – С. 1–26.

Библиографическая ссылка на статью

Shustov A. N., Chekalkin A. A., Shipunov G. S. The Problematics of Predicting the Quality of Aircraft Structures Made of Polymer Composite Materials // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. - 2026. - Iss. 2. - P. 19-27. -
DOI: 10.17804/2410-9908.2026.2.019-027. -
URL: http://dream-journal.org/issues/2026-2/2026-2_559.html
(accessed: 26.09.2026).