基于可控微結構的編織復合材料物性參數設計方法與流程

本發明屬于復合材料制備領域，具體的說是一種可控微結構的編織復合材料物性參數設計方法。

背景技術：

增強碳化硅陶瓷基復合材料具有高強度、高硬度、耐高溫、低密度等一系列優異性能，已成為航空航天領域極具發展前景的新一代高溫熱結構材料。編織碳纖維增強碳化硅復合材料因其優異的高溫性能被大量應用于耐熱部件，如大型運載火箭擴張段、各類導彈發動機部件、航天飛機的頭部和機翼前緣等，這不僅要求編織復合材料承受很高的載荷，而且還要承受很高的溫度。同時，對飛行器而言，“重量就是生命”，事關其經濟性、機動性、小型化和隱身等。因此，編織復合材料設計中，如何快速、有效地兼顧材料熱物性參數的定向可設計需求和“輕量化”追求，優化改進材料的結構屬性，突破復合材料重量和體積約束，已成為各航空航天大國新一代飛行器研制過程中急需解決的關鍵問題之一。

基于微結構優化的熱物性設計是實現編織復合材料按需設計的一條新途徑。然而，完全通過參數分析或實驗方式設計編織復合材料的物性參數是非常困難的；而基于拓撲結構優化的微結構設計，盡管在微結構材料與結構的空間排列等方面有獨特優勢，但會改變現有編織復合材料的制造加工工藝，一定程度上會增加設計與加工的成本。顯然，有必要發展新型的微結構可控設計方法，在不改變現有編織復合材料的制造加工工藝的基礎上，以較低的設計成本、較短的設計周期和最小的質量獲得適合具體材料與結構工作需要的物性參數。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服上述不足，提供一種基于可控微結構的編織復合材料物性參數設計方法，可快速、有效地兼顧材料物性參數的定向可設計需求和“輕量化”追求。

本發明的目的是這樣實現的：基于可控微結構的編織復合材料物性參數設計方法，包括以下步驟：

步驟一：根據纖維束和編織結構的特征，采用通用單胞思想，建立了介/細觀傳熱/力學分析的有限元模型，中，代表性胞元的選取有多種方式，但通過胞體模板擴展，能夠將代表性胞元的熱物性與力學性能應用到宏觀材料的物性預測。

步驟二：基于網格變形技術，建立單胞可變形區域與變形控制點，其中控制點沿預定方向的位移作為目標優化的變量。

其中，為超聲波發射頻率；為超聲波在壁內單向傳播的距離（即壁厚）；為縱波聲速，為橫波聲速。和與壁所用材料性能和爐壁或管壁所受溫度相關。

步驟三：通過傳熱/力學分析，獲取等效的編織復合材料物性參數。

其中，熱物性參數的預測方法可參考如下公式：

等效導熱系數：

等效密度：

等效熱容：

式中：是熱流密度；為傳熱距離；是加熱面的溫度；是六面體中與加熱面平行面的溫度；是體積；是比熱容；是密度；是導熱系數；下標“”表示等效；下標“”表示組分編號。

力學參數的預測方法如下公式：

等效導熱系數：

等效彈性模量：

式中：是平均應變，為該方向上的溫度差，為力載荷。

步驟四：建立基于輕量化設計的復合材料物性參數多目標優化模型和計算方法，得到需求的相關參數。

本發明的優點在于：

1、兼顧尺寸優化和形狀優化兩種模式，即在細觀尺度通過編織角度、纖維尺寸、基體尺寸以及代表性胞元尺寸等的優化，實現編織復合材料各方向所需性能參數的可設計。

2、兼顧材料熱物性參數的定向可設計需求和“輕量化”追求，實現最小質量下的編織復合材料物性參數設計。

3、基于網格變形技術的微結構設計，是在代表性胞元網格模型上建立網格變形的控制體，通過移動控制體的控制點以直接改變計算網格而不需要網格拓撲結構的變化，這避免在優化過程中重復生成胞元結構幾何外形和網格模型，能夠快速有效地解決優化過程中的網格自動更新問題，極大地簡化了優化流程。與參數分析和實驗方法相比，該設計方法可以顯著地降低設計成本與縮短設計周期，且獲得全局最優解。

4、基于網格變形技術的微結構設計，由于不需要代表性胞元網格拓撲結構的變化，因此不會改變現有編織復合材料的制造加工工藝。這使得在現有技術和設備基礎上即可進行材料的精細化可控設計，不增加生產成本的同時就可以獲取各方向所需的材料參數。

附圖說明

附圖1為本發明所選取的代表性胞元有限元模型；

附圖2為本發明的基于網格變形技術建立的控制體模型及其各組分尺寸的變化案例；

附圖3為本發明的基于可控微結構的編織復合材料物性參數設計流程；

附圖4為本發明優化后的外形輪廓曲線；

附圖5為本發明的溫度場響應特性的對比結果。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。

本發明為基于可控微結構的編織復合材料物性參數設計方法，首先建立編織復合材料細觀傳熱特性分析的有限元（FEM）模型。代表性胞元的合理選取對材料物性參數的預測有重要影響。建立如附圖1a的編織復合材料代表性胞元的有限元模型。計算中纖維絲為T300，基體材料為環氧樹脂，纖維絲直徑7μm，軸向長度300μm，詳細參數見表1。在x和y向的與z向纖維交接的兩個面上施加旋轉對稱邊界，x和y向的另兩個面施加對稱邊界。在z向頂端面施加500000 W/m2, z向底端面施加300K溫度。

表1 編織材料各組分的熱物性參數

基于網格變形技術建立的控制體模型，如附圖2a所示。其中控制體有兩個，一個是基于立方體（整個胞元）建立，用于控制分別控制胞元整體、X Y-編織纖維、z-纖維和SiC基體三個方向尺寸的變化；另一個是圓柱形的控制體，用于控制z-纖維的三個方向尺寸變化。總共有八個控制變量。

以1e9個原始單胞尺寸的結構（各方向1e3個原始單胞尺寸）重量最小為目標，同時要求胞元整體z向的導熱系數目標達到90 W/m K。以此目標進行優化設計，優化流程如附圖3所示。優化流程包括：在建立FEM模型后，可分別進行優化熱物性參數和力學性能參數計算，優化熱物性參數計算包括熱載荷分析、熱傳分析和節點溫度設計，力學性能參數的計算包括熱-固耦合分析和應力與變形計算；也可在建立FEM模型后先進行優化熱物性參數計算然后進行力學性能參數計算，參數計算完成后對輕量化設計的優化目標與約束條件進行分析，若是收斂則設計結束，若是不收斂則對網格進行變形處理，然后設計新的控制變量建立新的FEM模型，再重新進行參數計算設計，直到設計優化結束。

優化后，如附圖4所示，從代表性胞元的網格模型中可以獲取優化后的外形輪廓曲線。

附圖5給出了兩者的溫度場響應特性，與原始模型相比，z向的導熱系數由原始的84.98 W/m K增大為90 W/m K，而結構減重達5.78%。

最后應說明的是：顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本申請所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本申請型的保護范圍之中。