如何借助计算机完成“材料应用”设计 - 综合行业技术 - 中国制造

　　虽说人们都明白材料运用得好将有利于提高产品竞争力，但设计人员必须考虑的设计变量非常多，很多情况下没有足够的精力将材料纳入设计探讨的范围。从实际情况来看，很多时候都会直接使用本公司类似产品已经采用的材料。因此笔者认为，假如能有一个可利用计算机辅助进行材料选择和运用的系统，那么使用新材料创造出前所未有的独特产品的机会也许会随之增加。

　　听说最近已经出现了通过使用计算机，在产品设计中提高材料运用效率的动向。在CAE（计算机辅助工程）中，将材料作为设计变量的尝试就是其中之一。

将材料作为设计变量

　　日经BP社于10月1日发行了《利用CAE创造新文化――明天的产品制造》一书。其中，作为CAE的新形态，介绍了“将材料作为设计变量的CAE应用法”。据此书介绍，之所以能将材料作为设计变量，原因在于业界已经开发出“基于均质化法的多尺度分析功能”。利用该功能，不仅能够分析材料的宏观特性，同时还可分析材料内部微观结构中的应力和应变分布。

　　近年来，将用于确定产品形状的CAD（计算机辅助设计）和用于结构分析的CAE配合起来使用的情况越来越多。但基本上都将CAD绘制的产品形状和尺寸作为设计变量，进行结构分析。对于根据老产品和类似产品的设计数据，通过对形状进行改进，形成新的东西，CAD是一种非常方便的工具。但在材料应用方面，这样做的结果却适得其反。假如所采用的材料在老产品数据中已有记载，就可能会不假思索地直接使用这种老材料。因此，改变思路，将材料作为变量，在产品设计中对材料进行深入研究，就有可能成为提高产品竞争力的有效手段。

　　在该书中，作为多尺度分析功能的运用事例，介绍了复合材料的管道设计。复合材料能够形成像立体织物和多轴针脚这样的复杂纤维结构。通过将这种纤维结构的微观结构作为一个单位，并作为均质模型进行分析，就能分析出采用什么样的纤维结构，能形成什么样的应力分布。由此就能选出最佳的材料。

　　另外还开发出了另一种方法，即利用流动分析法，观察树脂成形品中玻璃纤维的运动，并将其数据用于结构分析，由此就能根据材料的内部结构完成相应的产品设计。

材料数据的积累是关键

　　过去，从CAE来看，一提到材料，就是从宏观上将其作为均质的东西进行处理。但实际上就像上面所讲到的那样，从微观上来讲，由于它们都具有不同的纤维结构和配向等性质，因此物理性质都有变化。尽管目前还很有限，不过，利用计算机对微米或者纳米级超细材料的运动进行分析而得出的结果，有朝一日必将会运用到产品设计中。

　　到那时，最重要的就是材料数据的积累。在上面提到的《利用CAE创造新文化――明天的产品制造》一书中，作为多尺度分析用户的复合材料厂商的有关负责人讲了这么一段话：

　　“按道理来讲，本公司的技术人员需要好好研究各向异性弹性学和层叠理论，根据各种母材和强化材料算出各层的各向异性弹性系数，然后把材料的物理特性建成一个数据库。假如过去十几年来能够始终抱定这种想法，对材料数据进行研究，那么本公司恐怕已经成为一家能够提供全世界独一无二的材料分析技术服务的强化材料厂商。”

　　笔者过去曾编写过有关材料数据库的专集。记得是1985年5月7日发行的《日经新材料》，当时还是创刊前的样刊。该杂志当时在其编辑思想中称，不仅要向材料开发人员，还要提供对材料用户有益的信息。在材料数据库专集中，杂志主编也指出，要报道对用户有益的信息。

　　从那时起，笔者就对预测材料内部运动抱有极大的兴趣。比如，笔者曾把各种材料试样的疲劳试验及蠕变试验（creep test）结果输入数据库，尝试着按照推算寿命的经验规律，对材料寿命进行预测。但当时根本没有可追溯到材料内部的微观结构，更准确地对材料的内部运动进行预测的方法。记得当时就有部分专家指出：“虽说是预测，但最终还得先充分地收集基础试验数据，然后再对其图形进行内外推理。当务之急就是建立材料数据库。”尽管时间已经过去20年，但建立材料数据库的重要性至今并没有变。现在开始着手还为时不晚！（记者：藤堂安人）