高分子及復(fù)合材料的有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)獲新成果

中科院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所與山東大學(xué)合作，在“高分子及復(fù)合材料制備-結(jié)構(gòu)-性能相關(guān)性的有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)”方面取得突出進(jìn)展，定量揭示了高分子材料制備-結(jié)構(gòu)-性能的相關(guān)性及其規(guī)律，發(fā)展了材料制備過程的優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，自主開發(fā)的模擬軟件得到了很好的應(yīng)用，日前該成果榮獲2010年度吉林省科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

高分子及其復(fù)合材料的工業(yè)化制備過程復(fù)雜，材料往往處于非等溫、非等壓、復(fù)雜流變狀態(tài)，而且伴隨著化學(xué)熱效應(yīng)、凝膠效應(yīng)、粘性耗散熱效應(yīng)等現(xiàn)象，導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)和性能在時(shí)/空間內(nèi)的非均勻性，進(jìn)而影響材料的使用性能。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者致力于該問題的研究，希望能揭示在復(fù)雜加工條件下材料制備-結(jié)構(gòu)-性能的相關(guān)性及其規(guī)律，實(shí)現(xiàn)材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)和最佳加工窗口的遴選，但在數(shù)值模擬復(fù)雜制備過程、實(shí)現(xiàn)集成研究以及定量揭示材料結(jié)構(gòu)和性能的時(shí)間演變與空間分布規(guī)律等方面進(jìn)展甚微。

長(zhǎng)春應(yīng)化所和山東大學(xué)從揭示材料性能定量調(diào)控機(jī)制、實(shí)現(xiàn)材料制備過程優(yōu)化設(shè)計(jì)等關(guān)鍵科學(xué)問題出發(fā)，于2002年開展了“高分子及復(fù)合材料制備-結(jié)構(gòu)-性能相關(guān)性的有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)”的研究。綜合應(yīng)用有限元方法、Monte Carlo方法、增量理論、反應(yīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)、化學(xué)流變學(xué)、優(yōu)化設(shè)計(jì)等學(xué)科知識(shí)，采用實(shí)驗(yàn)研究、理論研究與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，在高分子材料的凝膠化轉(zhuǎn)變、聚烯烴的反應(yīng)擠出、纖維復(fù)合材料的液態(tài)模塑成型等有代表性的材料制備過程中，首次以凝膠制備過程的有限元模擬作為目標(biāo)函數(shù)求解方法，以遺傳算法作為材料組分和制備條件的搜索尋優(yōu)方法，建立了凝膠化轉(zhuǎn)變過程優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在凝膠制備過程中的反應(yīng)控制、結(jié)構(gòu)控制以及性能調(diào)控；定量地揭示了在非等溫、非等壓等復(fù)雜加工條件下化學(xué)反應(yīng)對(duì)高分子材料結(jié)構(gòu)和流變性質(zhì)的影響規(guī)律，首次數(shù)值分析了在聚合反應(yīng)擠出過程中化學(xué)熱效應(yīng)和凝膠效應(yīng)的耦合作用；揭示了缺陷種類、含量及分布對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能和破壞行為的影響規(guī)律。豐富了凝膠化轉(zhuǎn)變、反應(yīng)擠出以及復(fù)合材料制備與破壞的基礎(chǔ)理論和研究方法。

該項(xiàng)成果共發(fā)表研究論文30余篇，被國(guó)家版權(quán)局授予計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)3項(xiàng)。從技術(shù)上有效支撐了多個(gè)項(xiàng)目，有力地促進(jìn)了碳纖維復(fù)合材料在我國(guó)航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣。同時(shí)，為企業(yè)提供了技術(shù)支持，自主開發(fā)的橡塑制品熱固化工藝模擬軟件和聚烯烴反應(yīng)擠出模擬軟件得到了很好的應(yīng)用，使企業(yè)取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。