有限元方法在復合材料結構優化設計中的應用

宋春林

【摘 要】為提升復合材料結構設置水平，實現復合材料性能的提升與造價的管控，文章將有限元方法與復合材料結構優化設計有機結合起來，通過相應舉措，有效解決現階段復合材料在研發、應用環節暴露出的問題，打造完善的材料研發機制。

【關鍵詞】復合材料;結構優化;有限元方法;應用策略

前言

在符合材料結構性優化的過程中，為持續增強復合材料實用性，有效改善符復合材料的性能，打造成熟的復合材料研發、制備體系。技術人員以有限元方法作為研究框架，通過研究思路的調整，研究方法的調整，有效解決復合材料的升級環節面臨的問題，保證復合材料的實用屬性。

1.有限元方法概述

對有限元方法內涵與特點的分析，在思維層面形成正確的技術觀念，以充分發揮有限元方法的實用屬性。

有限元法作為成熟的計算機制，通過剖分、單元分析、近似變分方程求解等相關舉措，實現對數據分析的綜合分析與科學論證。與傳統的分析模型相比，有限元法在計算機的輔助作用下，通過程序的編輯，將微分方程的離散處理，這種處理方式操作難度較低，分析評估周期較短，因此在實踐環節具備較強的實用性。隨著有限元方法的逐步成熟，應用范圍的日益擴大，借助有限元方法對離散數據的共性進行分析，并形成規律性認知，通過規律性的認知，逐步推進各項技術研發與升級工作。例如在新型材料研發的過程中，基于材料屬性的特殊性、結構的復雜性，技術人員應當從微觀層面出發，對材料內部結構的布局做出相應調整，實現材料性能的定向提升。技術人員依托有限元方法，在材料研發與使用需求的情況下，對數據分析結果進行全面梳理，以此為基礎，定向做好數據分析以及整合等相關工作，避免數據掌握不充分、應用不科學等問題的發生。

2.有限元方法在復合材料結構優化設計應用價值

有限元方法在復合材料結構優化設計中的應用，表現出極大的技術優勢，是保證結構設計針對性，壓縮研發成本的重要路徑。為改善這種局面，技術人員需要從實際出發，轉變技術思路，創新技術方法，以持續提升復合材料結構的研發能力。

復合材料在內部結構設計的過程中，應當充分考量耐久度、結構強度等材料屬性，根據材料屬性的差異，對復合材料鋪設的層數、鋪設的厚度等進行針對性調整，實現復合材料屬性的定向提升。在較長的一段時間內，在復合材料研發與調整過程中，往往采用等代設計、準網設計等相關的設計手段，這些傳統的技術處理方式，復合材料的處理周期較長，處理難度較大，需要耗費大量的周期，開展數據的統計、研發以及應用等相關研發工作，難以滿足實際的復合材料設計、研發要求。有限元方法在復合材料研發中的應用，從微觀層面出發，對復合材料結構進行系統性評估，以掌握復合材料結構的布局。例如有限元方法與復合材料結構設計的結合，著眼不同材質的基本屬性，通過離散法、本構矩陣差異的對比分析，以持續提升復合材料結構布局的合理性與有效性。從材料結構布局角度來看，復合材料往往具備雙層結構，通過材料不同鋪層的離散處理，將不同層次材料的力學分布進行優化處理。從實際操作的角度來看，技術人員依托有限元方法，對復合材料的鋪層的方向分布、力學屬性等作出針對性優化，實現復合材料屬性的針對性升級。具體來看，在有限元方法的作用下，技術人員可以同時進行機體材料、增強材料的綜合性評估，通過整體性的技術評估與判定，對復合材料內部外觀力學的分布進行調整，使得力學分布更為合理，更好地滿足現階段的復合材料使用需求。有限元方法對于微觀力學的有著較強的分析能力，其借助自身的數據分析優勢，以復合材料的每一個鋪層作為研究分析的對象，對復合材料結構設計過程中，鋪層內部力學的變化特性開展評估，以持續監測力學特性，并以此為基礎，實現對復合材料力學特性的分析以及優化等工作。

3.有限元方法在復合材料結構優化設計中的應用路徑

有限元方法在復合材料結構優化設計中作用的發揮，要求技術人員從實際出發，以科學性原則、實用性原則為導向，采取必要手段，推動有限元方法的合理化應用。

3.1復合材料結構優化設計有限元分析方法應用原則

有限元分析法在應用于復合材料結構設計的過程中，應當從實際出發，以科學性原則、實用性原則為導向，對分析方法做出針對性調整，實現有限元分析方法的健全以及完善。具體來看，有限元分析方法在實踐應用環節，需要注重分析方式的標準化、規范化應用，技術人員根據有限元分析方法的特點以及復合材料結構設計的需求，推動有限元分析在實踐領域中的合理化應用，充分解決過往復合材料結構分析環節，有限元分析方法應用能力不強，針對性不高的問題，以實現有限元分析方技術優勢的發揮。

3.2復合材料結構優化設計有限元分析的應用流程

復合材料結構優化設計環節，在利用有限元分析方法進行數據分析、評估的過程中，技術人員需要從實際出發，準確把握復合材料結構設計優化的基本要求，將有限元分析納入到有結構設計之中，形成過程性的評估與分析方案，以更好地實現微觀層面受力的整體布局。具體來看，技術人員在開展有限元分析環節，可以通過目標函數的最優設計的方式，依托最優函數，將復合材料結構優化設計中涵蓋的尺寸、厚度、形狀、支撐角度、造價費用等參數進行全面的評估以及分析，通過綜合分析，細化自變量、因變量的分類以及內在聯系，在此基礎上，形成最優化的復合材料結構設計方案。從過往經驗來看，當有限元分析獲取的數值越低，復合材料的結構分布越合理，越能夠滿足現階段復合材料的實際使用訴求。以某復合材料的結構設計為例，在設計環節，技術人員根據使用需求，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，考慮到復合材料使用場景的特舒適性，在實際操作過程中，為保證復合材料的耐久性與實用性，技術人員采用有限元分析法，建立起分析模型。

通過該類分析模型，技術人員可以對不同區域內，荷載的分布情況進行明確，并針對性地進行復合材料的添加等相關工作，將宏觀性的材料結構設計轉變為微觀性的結構優化，保證了結構設計的有效性。

3.3復合材料結構優化設計有限元分析的注意事項

在借助有限元分析法開展復合材料結構優化設計的過程中，技術人員需要明確有限元分析方法的應用要點，以應用要點的明確、應用重點的劃分，持續提升有限元分析的針對性，更好地滿足于復合材料結構優化的基本要求。例如技術人員在分析方法應用環節，對函數構成、要素分析等進行全面掌握，形成整體性的分析技術應用思路，確保復合材料結構分析工作的順利開展。

結語

有限元法在復合材料結構優化工作中的應用，可以持續提升復合材料研發效能，推動復合材料材質與性能的定向提升。文章以有限元法作為框架，系統分析復合材料結構優化方式，打造成熟高效的材料研發機制，推動復合材料性能的穩步升級，以滿足現階段生產、生活領域對于復合材料的使用需求。

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（作者單位：阜新金昊空壓機有限公司）