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化112-2 201169502225

田新

计算机技术在高分子材料与工程中的应用

田新

烟台大学化学化工学院

摘要:介绍了计算机信息系统、计算机辅助系统、计算机控制系统在高聚物研究中的应用概况,详述了计算机仿真技术在此领域中的应用及其研究进展。计算机技术在材料科学研究中应用领域。探讨计算机在材料科学研究领域中的具体应用。借助于计算机可推动材料研究、开发与应用。

关键词 计算机技术 材料科学 应用

1 引言

计算机模拟技术已广泛应用于包括材料液态成形、塑性成形、连接成形、高分子材料成形、粉末冶金成形、复合材料成形等各种材料成形工艺领域。计算机模拟技术在材料成形加工中的应用,使材料成形工艺从定性描述走向定量预测,为材料的加工及新工艺的研制提供理论基础和优选方案,从传统的经验试错法,推进到以知识为基础的计算试验辅助阶段,对于实现批量小、质量高、成本低、交货期短、生产柔性、环境友好的未来制造模式具有重要的意义。计算机模拟是未来材料成形制备工艺的必由之路,其发展趋势是多尺度模拟及集成。

高分子材料的测试技术是指:a.热分析技术,主要包括热重法、差热分析、差示扫描量热法、热分析反应动力学等;b.色谱分析技术,主要包括吸附色谱、分配色谱、离子交换色谱,凝胶色谱;c.红外光谱分析技术;d.核磁共振分析和动态介电测试技术等。随着计算机工业及技术的发展,计算机在高分子材料近代测试技术中发挥了越来越重要的作用,目前基本上所有的高分子材料测试手段和仪器都有不同型号的计算机在不同程序上予以支持,使得仪器操作简便,测量准确快捷。信息存贮量和可信度大大提高。

2计算机信息系统

一个计算机信息系统通常由包括硬件、操作系统、网络系统在内的支持环境和以数据库管理为核心的数据库系统以及建立在其上的各种应用软件等几部分组成。而用户则通过专门的人机交互界面进行数据查询、修改等操作并实现统计分析、规划、决策等功能。目前计算机信息系统正向着系统集成化、结构分布化、信息多元化、功能智能化的方向发展。在高分子科学领域中,尤以功能智能化为发展目标,如专家系统。目前的专家系统基本上以事务性操作为主,具有一定的决策功能,但还限于局部应用,如石刻文物防环境侵蚀复合材料专家系统,复合材料专家系统、各种数据库等。未来的信息或专家系统应具有知识获取、知识管理以及推理等功能,可以提供诸如提示、报警、自动记录和统计、专人或专题情报服务、预测和规划、决策和咨询等服务。

2.1计算机辅助系统

计算机辅助系统在高分子科学中的应用主要体现在以下几个方面。

(1)计算机辅助设计(CAD)

目前各种合成及加工设备均采用计算机辅助设计,尤其是在高分子材料加工中的模具加工方面,计算机辅助设计已得到广泛应用,专门用于设计注塑产品的模具设计软件已得到厂家应用。该技术结合了高分子材料的物理特性、材料特性等,采用特征化、参数化技术,通过热力、静力、动力分析优化设计模型,是目前计算机辅助设计在高分子科学领域应用取得最成功的一个方面。

(2)计算机辅助制造(CAM)

CAM的核心是计算数值控制(简称数控)。数控已广泛应用于各种设备的控制,如注塑机、挤出机、压延机及各种连续合成装置。

(3)计算机辅助工艺规划(CAPP)

工艺规划是从原材料到产品之间加工顺序和所需条件的规划,这项工作需要有丰富生产经验的工程师进行复杂的规划。计算机辅助工艺规划CAPP也是运用人机交互、计算机图形学、工程数据库以及专家系统等计算机科学来实现的。高分子材料的合成及加工今后也可能采用这种方法,如通过气体辅助注塑成型实验与仿真研究[1],借助计算机辅助工程分析技术所提供的信息,优化模型设计,确定最佳的工艺参数配置,减少试模和修模次数。CAPP的作用不仅在于节省了人工传递信息和数据,更有利于产品生产的整体考虑。设计工程师从公共数据库中,可以获得并考察所设计产品的加工信息,制造工程师可以从中清楚地知道产品的设计需求。全面考虑这些信息,可以使产品的生产获得更大的效益。

2.2计算机控制系统

计算机控制系统是通过不断采集被控对象的各种状态信息,由计算机按照被控对象的模型和一定的控制策略实时地计算和处理后,作为控制信息去推动执行结构,被控对象自动地、准确地按照预定的规律运行,以减少人力,提高生产质量。目前计算机控制系统在大宗高分子材料合成装置中已被采用,如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯的合成。

目前主要采用的控制系统是集散型系统,采用有线方式联系。使用计算机作为控制工具,控制系统及控制技术在广度和深度上都在不断发展。在广度上,向着大系统或系统工程方向发展。从单一过程、单一对象的局部控制到对整个工厂