[發明專利]基于FDTD的碳纖維復合材料輻射特性數值模擬方法

有效

• 申請號: 201811091878.5
• 申請日: 2018-09-19
• 公開（公告）號: CN109344475B
• 公開（公告）日: 2022-11-29
• 發明（設計）人: 殷金英;祁彩輝
• 申請（專利權）人: 哈爾濱理工大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F111/10
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于FDTD的碳纖維復合材料輻射特性數值模擬方法，其特征在于：所述方法通過以下步驟實現：

步驟一、使用FDTD Solution軟件對材料模型進行模擬仿真，通過軟件模擬出碳纖維及其復合材料的結構；

步驟二、設定仿真區域并得到不同光波長度下的吸收截面、散射截面、吸收因子、散射因子的參數；

步驟三、整理得到的吸收截面、散射截面、吸收因子、散射因子的多組參數數據，并將多組數據進行對比，通過觀察曲線的趨勢分析各因素對碳纖維及其復合材料輻射特性的影響；

步驟四、采用時域有限差分法，模擬計算，吸收截面、散射截面、吸收因子、散射因子來得出吸收散射能量占入射能量的比例，從而計算出碳纖維的輻射特性；

步驟五、在通過對這些分析，得到碳纖維復合材料的結構對其輻射特性的影響；

步驟六、通過碳纖維的疏密程度對輻射特性的影響、基底對碳纖維復合材料的輻射特性影響、三維亂序結構排布對碳纖維輻射特性的影響、碳納米管對碳纖維輻射特性的影響，進行碳纖維及其復合材料的熱防護性能改善；

步驟六所述的進行碳纖維及其復合材料的熱防護性能改善通過以下方式：

第1，模擬碳纖維疏密程度變化對輻射特性的影響，進行熱防護性能改善：

設定碳纖維的縱向是平行的，將其結構體XY方向的截面簡化為隨機分布的圓形，設計算的結構體XY方向的截面面積不變，用簡化的圓形數量表示碳纖維的數量，圓形數量的多少即表示碳纖維的疏密程度，利用FDTD Solution軟件進行仿真計算分析，通過orgin軟件處理數據，模擬碳纖維的疏密程度變化對其輻射特性的影響；

第2，模擬不同的基底對碳纖維復合材料的輻射特性影響，進行熱防護性能改善：

根據不同基質的折射率，將其輸入在FDTD Solution軟件的材料庫中，基于麥克斯韋方程，結合時域有限差分法，通過全場/散射場的方法，引入平面光源計算指定波長下碳纖維的散射截面、吸收截面、散射因子、吸收因子，模擬碳纖維是縱向平行的情況下，不同的吸收基質對其輻射特性的影響；

第3，模擬三維亂序結構排布對碳纖維輻射特性的影響，進行熱防護性能改善：

在仿真中將碳纖維簡化成圓柱體，模擬碳纖維縱橫交錯狀態模型，通過計算分析這種狀態下碳纖維的輻射特性；

第4，模擬碳納米管對碳纖維輻射特性的影響，進行熱防護性能改善：

建立碳纖維表面涂覆碳納米管的結構模型，進行模擬仿真，分析碳納米管對碳纖維輻射特性的影響。

2.根據權利要求1所述基于FDTD的碳纖維復合材料輻射特性數值模擬方法，其特征在于：所述的基于麥克斯韋方程，模擬不同的吸收基質對其輻射特性的影響的過程為，麥克斯韋方程組既有微分形式又有積分形式，其中微分形式基本可以表征大部分電磁學基本原理，由于微分形式本身的特點，它可以計算微小物體復雜結構的電磁現象，形式如下：

▽·B＝0

▽·D＝ρ

式中，各項表示如下：E為電場強度，D為電通量密度，H為磁場強度，B為磁通量，J為電流密度；

用麥克斯韋方程組計算波的傳播過程之前，利用物質方程將麥克斯韋方程和物質屬性聯系起來，表示如下：

D＝εE

B＝μH

J＝σE

式中，各項表示如下：ε為介電常數，μ為介質磁導率，σ為電導率；

將麥克斯韋方程寫成直角坐標的形式后，用FDTD對麥克斯韋方程組進行求解，從而可以得到所需的物理量；把式的最后兩個方程改寫成直角坐標的形式，其形式如下：