高分子及复合材料的有限元分析与优化设计获新成果

中科院长春应用化学研究所与山东大学合作，在“高分子及复合材料制备-结构-性能相关性的有限元分析与优化设计”方面取得突出进展，定量揭示了高分子材料制备-结构-性能的相关性及其规律，发展了材料制备过程的优化设计系统，自主开发的模拟软件得到了很好的应用，日前该成果荣获2010年度吉林省科技进步奖一等奖。

高分子及其复合材料的工业化制备过程复杂，材料往往处于非等温、非等压、复杂流变状态，而且伴随着化学热效应、凝胶效应、粘性耗散热效应等现象，导致材料结构和性能在时/空间内的非均匀性，进而影响材料的使用性能。国内外很多学者致力于该问题的研究，希望能揭示在复杂加工条件下材料制备-结构-性能的相关性及其规律，实现材料的优化设计和最佳加工窗口的遴选，但在数值模拟复杂制备过程、实现集成研究以及定量揭示材料结构和性能的时间演变与空间分布规律等方面进展甚微。

长春应化所和山东大学从揭示材料性能定量调控机制、实现材料制备过程优化设计等关键科学问题出发，于2002年开展了“高分子及复合材料制备-结构-性能相关性的有限元分析与优化设计”的研究。综合应用有限元方法、Monte Carlo方法、增量理论、反应统计学、化学流变学、优化设计等学科知识，采用实验研究、理论研究与数值模拟相结合的方法，在高分子材料的凝胶化转变、聚烯烃的反应挤出、纤维复合材料的液态模塑成型等有代表性的材料制备过程中，首次以凝胶制备过程的有限元模拟作为目标函数求解方法，以遗传算法作为材料组分和制备条件的搜索寻优方法，建立了凝胶化转变过程优化设计的计算机模拟系统，实现了在凝胶制备过程中的反应控制、结构控制以及性能调控；定量地揭示了在非等温、非等压等复杂加工条件下化学反应对高分子材料结构和流变性质的影响规律，首次数值分析了在聚合反应挤出过程中化学热效应和凝胶效应的耦合作用；揭示了缺陷种类、含量及分布对复合材料力学性能和破坏行为的影响规律。丰富了凝胶化转变、反应挤出以及复合材料制备与破坏的基础理论和研究方法。

该项成果共发表研究论文30余篇，被国家版权局授予计算机软件著作权3项。从技术上有效支撑了多个项目，有力地促进了碳纤维复合材料在我国航空航天等领域的应用和推广。同时，为企业提供了技术支持，自主开发的橡塑制品热固化工艺模拟软件和聚烯烃反应挤出模拟软件得到了很好的应用，使企业取得了显著的经济和社会效益。