有限元方法在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

宋春林

【摘 要】為提升復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)置水平，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料性能的提升與造價(jià)的管控，文章將有限元方法與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)相應(yīng)舉措，有效解決現(xiàn)階段復(fù)合材料在研發(fā)、應(yīng)用環(huán)節(jié)暴露出的問(wèn)題，打造完善的材料研發(fā)機(jī)制。

【關(guān)鍵詞】復(fù)合材料;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;有限元方法;應(yīng)用策略

前言

在符合材料結(jié)構(gòu)性?xún)?yōu)化的過(guò)程中，為持續(xù)增強(qiáng)復(fù)合材料實(shí)用性，有效改善符復(fù)合材料的性能，打造成熟的復(fù)合材料研發(fā)、制備體系。技術(shù)人員以有限元方法作為研究框架，通過(guò)研究思路的調(diào)整，研究方法的調(diào)整，有效解決復(fù)合材料的升級(jí)環(huán)節(jié)面臨的問(wèn)題，保證復(fù)合材料的實(shí)用屬性。

1.有限元方法概述

對(duì)有限元方法內(nèi)涵與特點(diǎn)的分析，在思維層面形成正確的技術(shù)觀念，以充分發(fā)揮有限元方法的實(shí)用屬性。

有限元法作為成熟的計(jì)算機(jī)制，通過(guò)剖分、單元分析、近似變分方程求解等相關(guān)舉措，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)分析的綜合分析與科學(xué)論證。與傳統(tǒng)的分析模型相比，有限元法在計(jì)算機(jī)的輔助作用下，通過(guò)程序的編輯，將微分方程的離散處理，這種處理方式操作難度較低，分析評(píng)估周期較短，因此在實(shí)踐環(huán)節(jié)具備較強(qiáng)的實(shí)用性。隨著有限元方法的逐步成熟，應(yīng)用范圍的日益擴(kuò)大，借助有限元方法對(duì)離散數(shù)據(jù)的共性進(jìn)行分析，并形成規(guī)律性認(rèn)知，通過(guò)規(guī)律性的認(rèn)知，逐步推進(jìn)各項(xiàng)技術(shù)研發(fā)與升級(jí)工作。例如在新型材料研發(fā)的過(guò)程中，基于材料屬性的特殊性、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)從微觀層面出發(fā)，對(duì)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的布局做出相應(yīng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)材料性能的定向提升。技術(shù)人員依托有限元方法，在材料研發(fā)與使用需求的情況下，對(duì)數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行全面梳理，以此為基礎(chǔ)，定向做好數(shù)據(jù)分析以及整合等相關(guān)工作，避免數(shù)據(jù)掌握不充分、應(yīng)用不科學(xué)等問(wèn)題的發(fā)生。

2.有限元方法在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用價(jià)值

有限元方法在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，表現(xiàn)出極大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)針對(duì)性，壓縮研發(fā)成本的重要路徑。為改善這種局面，技術(shù)人員需要從實(shí)際出發(fā)，轉(zhuǎn)變技術(shù)思路，創(chuàng)新技術(shù)方法，以持續(xù)提升復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的研發(fā)能力。

復(fù)合材料在內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)充分考量耐久度、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等材料屬性，根據(jù)材料屬性的差異，對(duì)復(fù)合材料鋪設(shè)的層數(shù)、鋪設(shè)的厚度等進(jìn)行針對(duì)性調(diào)整，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料屬性的定向提升。在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，在復(fù)合材料研發(fā)與調(diào)整過(guò)程中，往往采用等代設(shè)計(jì)、準(zhǔn)網(wǎng)設(shè)計(jì)等相關(guān)的設(shè)計(jì)手段，這些傳統(tǒng)的技術(shù)處理方式，復(fù)合材料的處理周期較長(zhǎng)，處理難度較大，需要耗費(fèi)大量的周期，開(kāi)展數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、研發(fā)以及應(yīng)用等相關(guān)研發(fā)工作，難以滿足實(shí)際的復(fù)合材料設(shè)計(jì)、研發(fā)要求。有限元方法在復(fù)合材料研發(fā)中的應(yīng)用，從微觀層面出發(fā)，對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)性評(píng)估，以掌握復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的布局。例如有限元方法與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)合，著眼不同材質(zhì)的基本屬性，通過(guò)離散法、本構(gòu)矩陣差異的對(duì)比分析，以持續(xù)提升復(fù)合材料結(jié)構(gòu)布局的合理性與有效性。從材料結(jié)構(gòu)布局角度來(lái)看，復(fù)合材料往往具備雙層結(jié)構(gòu)，通過(guò)材料不同鋪層的離散處理，將不同層次材料的力學(xué)分布進(jìn)行優(yōu)化處理。從實(shí)際操作的角度來(lái)看，技術(shù)人員依托有限元方法，對(duì)復(fù)合材料的鋪層的方向分布、力學(xué)屬性等作出針對(duì)性?xún)?yōu)化，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料屬性的針對(duì)性升級(jí)。具體來(lái)看，在有限元方法的作用下，技術(shù)人員可以同時(shí)進(jìn)行機(jī)體材料、增強(qiáng)材料的綜合性評(píng)估，通過(guò)整體性的技術(shù)評(píng)估與判定，對(duì)復(fù)合材料內(nèi)部外觀力學(xué)的分布進(jìn)行調(diào)整，使得力學(xué)分布更為合理，更好地滿足現(xiàn)階段的復(fù)合材料使用需求。有限元方法對(duì)于微觀力學(xué)的有著較強(qiáng)的分析能力，其借助自身的數(shù)據(jù)分析優(yōu)勢(shì)，以復(fù)合材料的每一個(gè)鋪層作為研究分析的對(duì)象，對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，鋪層內(nèi)部力學(xué)的變化特性開(kāi)展評(píng)估，以持續(xù)監(jiān)測(cè)力學(xué)特性，并以此為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料力學(xué)特性的分析以及優(yōu)化等工作。

3.有限元方法在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用路徑

有限元方法在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中作用的發(fā)揮，要求技術(shù)人員從實(shí)際出發(fā)，以科學(xué)性原則、實(shí)用性原則為導(dǎo)向，采取必要手段，推動(dòng)有限元方法的合理化應(yīng)用。

3.1復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)有限元分析方法應(yīng)用原則

有限元分析法在應(yīng)用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)從實(shí)際出發(fā)，以科學(xué)性原則、實(shí)用性原則為導(dǎo)向，對(duì)分析方法做出針對(duì)性調(diào)整，實(shí)現(xiàn)有限元分析方法的健全以及完善。具體來(lái)看，有限元分析方法在實(shí)踐應(yīng)用環(huán)節(jié)，需要注重分析方式的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化應(yīng)用，技術(shù)人員根據(jù)有限元分析方法的特點(diǎn)以及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需求，推動(dòng)有限元分析在實(shí)踐領(lǐng)域中的合理化應(yīng)用，充分解決過(guò)往復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析環(huán)節(jié)，有限元分析方法應(yīng)用能力不強(qiáng)，針對(duì)性不高的問(wèn)題，以實(shí)現(xiàn)有限元分析方技術(shù)優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮。

3.2復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)有限元分析的應(yīng)用流程

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，在利用有限元分析方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、評(píng)估的過(guò)程中，技術(shù)人員需要從實(shí)際出發(fā)，準(zhǔn)確把握復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的基本要求，將有限元分析納入到有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之中，形成過(guò)程性的評(píng)估與分析方案，以更好地實(shí)現(xiàn)微觀層面受力的整體布局。具體來(lái)看，技術(shù)人員在開(kāi)展有限元分析環(huán)節(jié)，可以通過(guò)目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)設(shè)計(jì)的方式，依托最優(yōu)函數(shù)，將復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中涵蓋的尺寸、厚度、形狀、支撐角度、造價(jià)費(fèi)用等參數(shù)進(jìn)行全面的評(píng)估以及分析，通過(guò)綜合分析，細(xì)化自變量、因變量的分類(lèi)以及內(nèi)在聯(lián)系，在此基礎(chǔ)上，形成最優(yōu)化的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。從過(guò)往經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，當(dāng)有限元分析獲取的數(shù)值越低，復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)分布越合理，越能夠滿足現(xiàn)階段復(fù)合材料的實(shí)際使用訴求。以某復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，技術(shù)人員根據(jù)使用需求，建立起平面模型，平面模型的尺寸、荷載要求均有著明確的要求，考慮到復(fù)合材料使用場(chǎng)景的特舒適性，在實(shí)際操作過(guò)程中，為保證復(fù)合材料的耐久性與實(shí)用性，技術(shù)人員采用有限元分析法，建立起分析模型。

通過(guò)該類(lèi)分析模型，技術(shù)人員可以對(duì)不同區(qū)域內(nèi)，荷載的分布情況進(jìn)行明確，并針對(duì)性地進(jìn)行復(fù)合材料的添加等相關(guān)工作，將宏觀性的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒂^性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，保證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效性。

3.3復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)有限元分析的注意事項(xiàng)

在借助有限元分析法開(kāi)展復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中，技術(shù)人員需要明確有限元分析方法的應(yīng)用要點(diǎn)，以應(yīng)用要點(diǎn)的明確、應(yīng)用重點(diǎn)的劃分，持續(xù)提升有限元分析的針對(duì)性，更好地滿足于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基本要求。例如技術(shù)人員在分析方法應(yīng)用環(huán)節(jié)，對(duì)函數(shù)構(gòu)成、要素分析等進(jìn)行全面掌握，形成整體性的分析技術(shù)應(yīng)用思路，確保復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析工作的順利開(kāi)展。

結(jié)語(yǔ)

有限元法在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作中的應(yīng)用，可以持續(xù)提升復(fù)合材料研發(fā)效能，推動(dòng)復(fù)合材料材質(zhì)與性能的定向提升。文章以有限元法作為框架，系統(tǒng)分析復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式，打造成熟高效的材料研發(fā)機(jī)制，推動(dòng)復(fù)合材料性能的穩(wěn)步升級(jí)，以滿足現(xiàn)階段生產(chǎn)、生活領(lǐng)域?qū)τ趶?fù)合材料的使用需求。

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（作者單位：阜新金昊空壓機(jī)有限公司）