碳纖維材料因其優(yōu)異的機械性能和輕量化特性，在多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，碳纖維材料的脆性特點使其在設(shè)計和制造過程中面臨諸多挑戰(zhàn)。有限元分析(FEA)作為一款強大的數(shù)值模擬工具，可以幫助工程師和研究人員深入了解材料在各種載荷條件下的表現(xiàn)，進而優(yōu)化設(shè)計并提升性能。這里我們結(jié)合智上新材料科技有限公司的產(chǎn)品設(shè)計案例，來探討有限元分析在碳纖維材料產(chǎn)品中的應(yīng)用。

　　一、臂管類碳纖維部件的有限元分析

　　本部分主要討論的是管壁型碳纖維部件產(chǎn)品。，比如碳纖維無人機機臂(機翼)、碳纖維機械臂、碳纖維伸縮桿等產(chǎn)品。這些產(chǎn)品需要具備一定的抗壓能力以及承載力。而碳纖維屬于脆性材料，其含碳量高達90%以上，韌性較差。在受到撞擊或承受較大壓力時，碳纖維管的剛度會急劇下降。一旦碳纖維管出現(xiàn)明顯變形(如變形量達到1厘米)，則表明該部件可能已受損。然而，采用碳纖維材料后，由于其低密度特性，能夠顯著減輕結(jié)構(gòu)重量，同時提升整體性能。這個時候就會進行有限元分析來確保產(chǎn)品能夠滿足應(yīng)用需求。

　　智上新材料科技在深度對接顧客需求后，進行無人機模擬仿真，分析翼臂的應(yīng)力分布。依據(jù)應(yīng)力分布圖顯示，無人機翼臂上的受力分布并不均勻。在跟客戶溝通后，建議在應(yīng)力較大的位置做厚。在應(yīng)力較小的區(qū)域減少材料厚度，以更好地平衡強度與重量。

　　此外還在必要的地方添加合金緊固件來更好的提升機翼產(chǎn)品的強度。經(jīng)過多次驗證，智上新材料科技拿出三種方案的碳纖維產(chǎn)品均能夠很好的應(yīng)用到無人機產(chǎn)品上，實現(xiàn)了輕量化和高強度的雙重目標(biāo)。

　　二、輥軸類碳纖維產(chǎn)品的有限元分析

　　在輥軸類的產(chǎn)品中，不同于機械臂類產(chǎn)品。對于輥軸類制品而言，考慮其跳動是一個至關(guān)重要的因素，尤其是在印刷領(lǐng)域使用的輥軸，振動幅度越小，印刷質(zhì)量越高。這是因為輥軸振動的大小與其制作材料的彈性模量(即剛度)緊密相關(guān)。那碳纖維復(fù)合材料因其自重輕、振動小的特點，成為制作機械輥類的理想用材。那么，如何進一步減少輥軸運轉(zhuǎn)時的振動呢？

　　智上新材料科技就通過有限元分析來分析輥軸運轉(zhuǎn)過程，分析的具體內(nèi)容包括彎曲度、剪切應(yīng)力和橫向剛度等數(shù)據(jù)，那一方面通過軟件計算得到相應(yīng)的優(yōu)化數(shù)據(jù)，另外一方面還需要結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗，需要考慮到總鋪層厚度、鋪層角度、鋪層順序等因素都會對輥軸性能指標(biāo)產(chǎn)生直接影響。然后綜合性數(shù)據(jù)分析，再進行打樣測試。最后，基于樣品的實際使用反饋，確定是否需要做出針對性的調(diào)整。

　　智上新材料科技每年的出廠的輥軸達到20w根，應(yīng)用在不同的領(lǐng)域中，經(jīng)過有限元分析優(yōu)化的碳纖維輥的最高速度不僅遠超于標(biāo)準鋼管，也超過了一般的碳纖維輥，為設(shè)備提供了更高質(zhì)量的運轉(zhuǎn)效果。

　　有限元分析在碳纖維材料產(chǎn)品的設(shè)計和優(yōu)化中發(fā)揮了重要作用。借助仿真模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以使碳纖維產(chǎn)品在各個行業(yè)中得到更加廣泛的應(yīng)用。通過應(yīng)力分布圖，進行產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，能夠顯著的提升產(chǎn)品的性能和可靠性。展望未來，隨著有限元分析技術(shù)的持續(xù)進步及應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，碳纖維材料產(chǎn)品將展現(xiàn)出更大的價值和潛力。智上新材料科技將繼續(xù)深化有限元分析技術(shù)的應(yīng)用，為客戶提供更高質(zhì)量的碳纖維材料產(chǎn)品解決方案。