有限元分析法與高性能複合材料應用

08-31

有限元分析法與高性能複合材料應用

有限元法就是將連續求解區域離散為一組有限個且按一定方式相互聯結在一起的單元組合體。由於單元能按不同的聯結方式進行組合，且單元本身又可以有不同的形狀，因此可以模擬成不同幾何形狀的求解小區域，然後對單元，即小區域進行力學分析，最後再整體分析。這種化整為零、集零為整的方法非常適合應用於大型部件的性能分析，特別是對於過去用解析方法無法求解的問題或者邊界條件及結構形狀不規則的複雜問題，都是一種行之有效的分析方法。

有限元法綜合利用了應用數學、現代力學及計算機科學等多種科學，最初應用於工程科學技術，主要用來模擬並且解決工程力學、熱學、電磁學等物理問題，後來逐漸應用於太空梭、軍事、生物醫學、汽車及特種裝備製造等領域。

隨著複合材料產業的迅速發展，有限元分析在高性能複合材料應用中的作用愈發凸顯。這是幾方面原因造成的：

首先，複合材料本身是由基體、增強體及其它輔助材料構成，配比與製造工藝流程上的微小差別都會對製品的最終性能產生明顯的影響，所以在材料性能的鑒定上沒有統一而科學的依據，如果沒有對成品進行實地檢測，是無法對複合材料產品的性能準確預知的；

其次，對於大型的高性能複合材料製品來說，因為原料昂貴，工藝耗時多，製造成本非常高，即便是少量試樣的費用也是不菲的，如果能夠通過相應的計算方法提前獲知產品的性能數據，那麼這對於節省打樣費用等前期的投入意義重大；

再者，無論是對產品的設計還是對後期的製造來說，有限元分析的介入可以為設計修正和製造優化提供有效的分析和建議，有助於縮短研發時間，以最佳的方案實現最理想的產品性能。

正因為以上幾方面的優勢，有限元分析為高性能複合材料應用領域所重視。無錫智上新材以高性能碳纖維複合材料為中心為諸多高端產品領域提供複合材料配套產品服務，為了滿足這些高端客戶的需求，其積極引入了有限元分析法，通過這種方法為客戶提供有科學依據性的產品製造方案。在一款軍工用的複合材料炮管殼產品中，這種有限元分析法的作用顯而易見：這款四分之一炮管殼，要求長度為747mm，鈦管外徑為45.5mm，鋪層厚度為2.4mm，鋪層重量為953g。複合材料管的模量要達到83000MPa，泊松比0.3，密度為1.8125t/m3，因為尺寸較大，但是複合材料的鋪層重量又有明確限制，所以在產品性能的控制上就比較困難。

為此，無錫智上新材向客戶推薦使用了有限元分析法，通過有限元模擬實驗，對殼體的拉伸、彎曲、扭轉、抗疲勞等不同情況進行模擬，求解在不同實驗條件下任意部位的變形、應力、應變分布、內部能量變化及極限破壞情況。通過有限元分析法，不僅獲得了最佳的鋪層和製作方案，而且有力地證明了產品設計的可行性，增加了客戶批量性生產的信心。類似的案例在推廣後，不同領域的複合材料應用都得到了一定的助力與提升。

但是，從目前的實際情況來看，有限元分析法更多的是在實驗室或者高端產品領域應用，在絕大多數的複合材料製品企業中應用罕見，無錫智上新材的成功應用將為複合材料行業借力計算機科學、力學、應用數學等科學提供有效範例。