文物修复中的有限元分析技术在博物馆建设与文物保护研究中的应用

在文物修复中，人们往往并不清楚已经修复的文物强度到底如何，特别是焊接、黏结的部位是否牢固，人们不可能对已经修复好的文物进行破坏性拉力试验，有的修复后的文物需要在展出中进行悬空吊挂，这对修复后的强度提出了更高的要求。同时，这也涉及文物今后的搬运、存放、展陈方式等安全问题。评价所采取的修复技术和使用的修复材料是否安全，以往很难做到，只能凭“感觉”或“经验”去判断，这个问题一直困扰着从事文物保护修复工作的技术人员。

要做到既不伤害文物，又能知道修复后的黏结部位的强度，受力面在哪里，应力是多少等，甚至筛选出最佳的修复方法和材料，就需要运用到数字化技术中的有限元分析技术。

在工业领域，有限元分析技术已广泛使用。有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元，利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟，利用简单而又相互作用的元素（即单元），就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统，用较简单的问题代替复杂问题并求解，它将求解域看成由许多被称为有限元的小的互连子域组成的，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。需要说明的是，大多数实际问题难以得到准确解，所以这个解不是准确解，而是近似解。有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而能成为行之有效的工程分析手段。

文物修复上采用的有限元分析技术，主要作用是计算修复后的黏结面的应力，科学判断修复后的黏结效果，是否能满足今后文物搬运、承重、悬挂等要求，避免文物再次断裂或损坏。

这里以一件战国青铜编钟的模拟修复为例。该编钟由于在出土时已经碎裂成若干块，并经过了修复，在多年的悬挂展出中，原修复的吊耳因承受不住长年悬挂而脱落。(www.xing528.com)

首先，使用三维扫描仪进行高精度文物数据采集，并进行数据的匹配拼接，保证高精度扫描数据收集，设置采集精度为0.02毫米，并对局部进行超高精度扫描收集细节结构，建立仿真模型，再进行模型配准，分别将模型导入有限元分析软件中，采用自动和手动相结合的方法对整个结构进行有限元网格划分（设定网格大小0.5毫米）。

其次，定义文物（青铜）、修复焊接材料（锡）等的力学属性，设定边界、接触条件及载荷。由于编钟为悬挂模式，载荷设定为自重与引力，钟钮集中受力，设定接触面为钟钮的上部和舞部连接部承受编钟整体的重量。然后带入有限元分析软件，对拟采用的4种拟修复方式进行技术分析。通过分析，筛选出其中最佳的修复方法。

由此知得，有限元分析技术运用在文物保护修复上，可以做到无害无损分析，提高文物修复质量，为文物的修复及研究提供全新的解决思路。同时应该看到，有限元分析的基础数据来源于3D扫描等数据的采集精准度，以及后期建模的质量精度，它直接关系到有限元分析结果的准确度。有限元分析所使用的基础数据一定是高模数据。