[發明專利]一種碳化硅陶瓷常壓固相燒結過程的數值模擬方法

有效

• 申請號: 201710368606.4
• 申請日: 2017-05-23
• 公開（公告）號: CN107315853B
• 公開（公告）日: 2020-08-14
• 發明（設計）人: 黃健;黃政仁;陳忠明;劉巖
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F111/10;G06F119/18
• 代理公司: 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;姚佳雯

1.一種碳化硅陶瓷常壓固相燒結過程的數值模擬方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)建立碳化硅陶瓷常壓固相燒結過程的熱粘彈性本構模型；

(2)建立有限元分析模型；

(3)定義燒結蠕變本構方程；

(4)進行瞬態熱結構耦合非線性仿真分析，獲得碳化硅陶瓷產品上的溫度場分布以及致密化收縮量；

(5)通過與實時觀測爐測得的試驗數據對比，驗證所述熱粘彈性本構模型及有限元分析模型的正確性；

所述步驟(1)包括：

利用燒結的唯象模型結合碳化硅陶瓷常壓固相燒結致密化過程中表現出的粘彈性特性，對于三軸應力狀態下并存在熱變形的情況，同時考慮彈性應變率、熱應變率、和蠕變應變率，建立描述碳化硅陶瓷常壓固相燒結過程的熱粘彈性本構模型為：

將公式(1)轉換為胡克定律的速率形式為：

其中D為彈性剛度矩陣，為彈性應變率，為總應變率，為熱應變率，為蠕變應變率；

熱應變率的表達式如下：

其中α為熱膨脹系數，△T為溫度增量，I為二階單位張量；

蠕變應變率的表達式如下：

其中σ′為應力偏張量，G＝(1-θ)²η為剪切粘度，θ為孔隙率，為材料的表觀粘度，η₀是室溫下材料粘度參數，Q_vf為粘性流動激活能，R為氣體常數，T為溫度，I為二階單位張量，σ_m＝tr(σ)/3為靜水應力，為燒結應力，γ_s為表面能，r₀為粉末顆粒平均半徑，為體積粘度。

2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(2)包括：建立分析對象的幾何模型；定義材料特性；設置分析類型；定義不同部件之間的接觸屬性；設置載荷及約束邊界條件；設置單元類型、劃分網格。

3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，

所述建立分析對象的幾何模型包括：

根據實際燒結樣品狀態，利用三維制圖軟件建立分析對象的三維幾何模型，對于結構及邊界條件具有對稱性的三維幾何模型，取其四分之一或二分之一建模；

將三維制圖軟件中建立的三維幾何模型轉化為step文件格式，利用ABAQUS軟件的模型輸入接口，實現模型的導入；

所述定義材料特性包括：

碳化硅陶瓷多孔材料在常壓固相燒結致密化過程中存在熱變形、瞬時彈性效應和蠕變特征，將其視為各向同性的熱粘彈性體，支撐板為致密化石墨，視為各向同性的線彈性體；

所述設置分析類型為瞬態熱結構耦合分析，同時考慮幾何非線性及蠕變/膨脹/粘塑性行為；

所述定義不同部件之間的接觸屬性包括在接觸面之間設置摩擦關系及導熱關系；

所述設置載荷及約束邊界條件包括根據實際工況條件設置載荷及約束邊界條件，定義自由度約束、對稱面上的對稱約束以及外力和熱邊界條件；

所述設置單元類型、劃分網格包括根據所述有限元分析模型的結構特征和分析類型設置相應的單元形式。