有限元方法在复合材料结构优化设计中的应用

宋春林

【摘 要】为提升复合材料结构设置水平，实现复合材料性能的提升与造价的管控，文章将有限元方法与复合材料结构优化设计有机结合起来，通过相应举措，有效解决现阶段复合材料在研发、应用环节暴露出的问题，打造完善的材料研发机制。

【关键词】复合材料;结构优化;有限元方法;应用策略

前言

在符合材料结构性优化的过程中，为持续增强复合材料实用性，有效改善符复合材料的性能，打造成熟的复合材料研发、制备体系。技术人员以有限元方法作为研究框架，通过研究思路的调整，研究方法的调整，有效解决复合材料的升级环节面临的问题，保证复合材料的实用属性。

1.有限元方法概述

对有限元方法内涵与特点的分析，在思维层面形成正确的技术观念，以充分发挥有限元方法的实用属性。

有限元法作为成熟的计算机制，通过剖分、单元分析、近似变分方程求解等相关举措，实现对数据分析的综合分析与科学论证。与传统的分析模型相比，有限元法在计算机的辅助作用下，通过程序的编辑，将微分方程的离散处理，这种处理方式操作难度较低，分析评估周期較短，因此在实践环节具备较强的实用性。随着有限元方法的逐步成熟，应用范围的日益扩大，借助有限元方法对离散数据的共性进行分析，并形成规律性认知，通过规律性的认知，逐步推进各项技术研发与升级工作。例如在新型材料研发的过程中，基于材料属性的特殊性、结构的复杂性，技术人员应当从微观层面出发，对材料内部结构的布局做出相应调整，实现材料性能的定向提升。技术人员依托有限元方法，在材料研发与使用需求的情况下，对数据分析结果进行全面梳理，以此为基础，定向做好数据分析以及整合等相关工作，避免数据掌握不充分、应用不科学等问题的发生。

2.有限元方法在复合材料结构优化设计应用价值

有限元方法在复合材料结构优化设计中的应用，表现出极大的技术优势，是保证结构设计针对性，压缩研发成本的重要路径。为改善这种局面，技术人员需要从实际出发，转变技术思路，创新技术方法，以持续提升复合材料结构的研发能力。

复合材料在内部结构设计的过程中，应当充分考量耐久度、结构强度等材料属性，根据材料属性的差异，对复合材料铺设的层数、铺设的厚度等进行针对性调整，实现复合材料属性的定向提升。在较长的一段时间内，在复合材料研发与调整过程中，往往采用等代设计、准网设计等相关的设计手段，这些传统的技术处理方式，复合材料的处理周期较长，处理难度较大，需要耗费大量的周期，开展数据的统计、研发以及应用等相关研发工作，难以满足实际的复合材料设计、研发要求。有限元方法在复合材料研发中的应用，从微观层面出发，对复合材料结构进行系统性评估，以掌握复合材料结构的布局。例如有限元方法与复合材料结构设计的结合，着眼不同材质的基本属性，通过离散法、本构矩阵差异的对比分析，以持续提升复合材料结构布局的合理性与有效性。从材料结构布局角度来看，复合材料往往具备双层结构，通过材料不同铺层的离散处理，将不同层次材料的力学分布进行优化处理。从实际操作的角度来看，技术人员依托有限元方法，对复合材料的铺层的方向分布、力学属性等作出针对性优化，实现复合材料属性的针对性升级。具体来看，在有限元方法的作用下，技术人员可以同时进行机体材料、增强材料的综合性评估，通过整体性的技术评估与判定，对复合材料内部外观力学的分布进行调整，使得力学分布更为合理，更好地满足现阶段的复合材料使用需求。有限元方法对于微观力学的有着较强的分析能力，其借助自身的数据分析优势，以复合材料的每一个铺层作为研究分析的对象，对复合材料结构设计过程中，铺层内部力学的变化特性开展评估，以持续监测力学特性，并以此为基础，实现对复合材料力学特性的分析以及优化等工作。

3.有限元方法在复合材料结构优化设计中的应用路径

有限元方法在复合材料结构优化设计中作用的发挥，要求技术人员从实际出发，以科学性原则、实用性原则为导向，采取必要手段，推动有限元方法的合理化应用。

3.1复合材料结构优化设计有限元分析方法应用原则

有限元分析法在应用于复合材料结构设计的过程中，应当从实际出发，以科学性原则、实用性原则为导向，对分析方法做出针对性调整，实现有限元分析方法的健全以及完善。具体来看，有限元分析方法在实践应用环节，需要注重分析方式的标准化、规范化应用，技术人员根据有限元分析方法的特点以及复合材料结构设计的需求，推动有限元分析在实践领域中的合理化应用，充分解决过往复合材料结构分析环节，有限元分析方法应用能力不强，针对性不高的问题，以实现有限元分析方技术优势的发挥。

3.2复合材料结构优化设计有限元分析的应用流程

复合材料结构优化设计环节，在利用有限元分析方法进行数据分析、评估的过程中，技术人员需要从实际出发，准确把握复合材料结构设计优化的基本要求，将有限元分析纳入到有结构设计之中，形成过程性的评估与分析方案，以更好地实现微观层面受力的整体布局。具体来看，技术人员在开展有限元分析环节，可以通过目标函数的最优设计的方式，依托最优函数，将复合材料结构优化设计中涵盖的尺寸、厚度、形状、支撑角度、造价费用等参数进行全面的评估以及分析，通过综合分析，细化自变量、因变量的分类以及内在联系，在此基础上，形成最优化的复合材料结构设计方案。从过往经验来看，当有限元分析获取的数值越低，复合材料的结构分布越合理，越能够满足现阶段复合材料的实际使用诉求。以某复合材料的结构设计为例，在设计环节，技术人员根据使用需求，建立起平面模型，平面模型的尺寸、荷载要求均有着明确的要求，考虑到复合材料使用场景的特舒适性，在实际操作过程中，为保证复合材料的耐久性与实用性，技术人员采用有限元分析法，建立起分析模型。

通过该类分析模型，技术人员可以对不同区域内，荷载的分布情况进行明确，并针对性地进行复合材料的添加等相关工作，将宏观性的材料结构设计转变为微观性的结构优化，保证了结构设计的有效性。

3.3复合材料结构优化设计有限元分析的注意事项

在借助有限元分析法开展复合材料结构优化设计的过程中，技术人员需要明确有限元分析方法的应用要点，以应用要点的明确、应用重点的划分，持续提升有限元分析的针对性，更好地满足于复合材料结构优化的基本要求。例如技术人员在分析方法应用环节，对函数构成、要素分析等进行全面掌握，形成整体性的分析技术应用思路，确保复合材料结构分析工作的顺利开展。

结语

有限元法在复合材料结构优化工作中的应用，可以持续提升复合材料研发效能，推动复合材料材质与性能的定向提升。文章以有限元法作为框架，系统分析复合材料结构优化方式，打造成熟高效的材料研发机制，推动复合材料性能的稳步升级，以满足现阶段生产、生活领域对于复合材料的使用需求。

参考文献：

[1]孙双双，丁钟宇，武丹.SMA复合材料变截面结构的静态非线性有限元分析[J].机械设计与制造工程，2020（1）：113-114.

[2]苏玉珍.复合材料层合板孔边应力场的有限元计算[J].2009（3）：8-12.

[3]刘世品，钟连兵.有限元方法在机舱罩结构降本优化设计上的应用[J].东方汽轮机，2011（03）：14-18+24.

（作者单位：阜新金昊空压机有限公司）