[發(fā)明專利]基于FDTD的碳纖維復(fù)合材料輻射特性數(shù)值模擬方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811091878.5
• 申請日: 2018-09-19
• 公開（公告）號: CN109344475B
• 公開（公告）日: 2022-11-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 殷金英;祁彩輝
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱理工大學(xué)
• 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

基于FDTD的碳纖維復(fù)合材料輻射特性數(shù)值模擬方法。目前缺少碳纖維復(fù)合材料的輻射特性計算方法的問題。本發(fā)明使用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(fù)合材料的結(jié)構(gòu)，得到的吸收截面、散射截面、吸收因子、散射因子的多組參數(shù)數(shù)據(jù)；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；在通過對這些分析，得到碳纖維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)對其輻射特性的影響。通過熱輻射特性的理論計算，更好的分析各影響因素對其輻射特性的影響，根據(jù)理論對碳纖維及其復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)作出進一步的改善，使其在熱防護中有更好地應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于FDTD的碳纖維復(fù)合材料輻射特性數(shù)值模擬方法。

背景技術(shù)

從我們?nèi)粘Ｉ钪械奶栒丈洹⒐I(yè)生產(chǎn)中的熱處理工藝、火災(zāi)爆炸現(xiàn)場的高溫火焰，到高速飛行器飛行時與空氣摩擦產(chǎn)生的大量熱。這些熱源釋放出的巨大的熱能都可能造成安全事故。熱防護在避免產(chǎn)生由熱造成的安全事故中扮演了必不可缺的角色對于高溫作業(yè)場所，若不采取相應(yīng)的熱防護措施，可能會引發(fā)作業(yè)人員患有熱射病、熱衰竭等疾病，對其身體健康造成巨大的影響。對于高速飛行器來說，采取熱防護措施可以避免惡劣的熱環(huán)境對其的傷害，提高其飛行時的安全性和可靠性，避免發(fā)生由熱引起的解體事故。由于碳纖維具有耐熱性能好、抗腐蝕能力強等多種的優(yōu)良性能，使其在飛行器的防熱層中擔(dān)當(dāng)著重要的角色。

碳纖維是有機纖維通過高溫分解與碳化形成的，一系列的變化使得材料中的碳含量達到90％以上。其結(jié)構(gòu)主要是由石墨組成的。碳纖維除了單獨可以使用外，其優(yōu)良的特性使其同樣可以作為復(fù)合材料的中的增強相。根據(jù)所需材料的功能不同，碳纖維可以與其他材料形成碳纖維復(fù)合材料。由于復(fù)合材料基底的不同，碳纖維復(fù)合材料主要分為4種：碳纖維/樹脂基復(fù)合材料、碳纖維/碳復(fù)合材料、碳纖維/陶瓷基復(fù)合材料還有碳纖維/金屬基復(fù)合材料。碳纖維復(fù)合材料也都具有良好的耐熱性能、抗腐蝕、強度高等有點。這些優(yōu)點使得碳纖維及碳纖維復(fù)合材料在航天器的熱防護方面有很大的應(yīng)用。以c/c復(fù)合材料為例，他被應(yīng)用在航天器、高速飛行器的防熱系統(tǒng)中，降低這種惡劣的高溫環(huán)境對飛行器本身造成的危害，避免發(fā)生安全事故，為其能夠完成飛行任務(wù)提供了一份安全保障。

我們通過熱輻射特性的理論計算,對碳纖維的輻射特性做更近一步的研究,分析各影響因素對其輻射特性的影響,使用數(shù)值模擬的方法對碳纖維及其復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)提供進一步的改善方案，使其在熱防護中有更好地應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決目前缺少碳纖維復(fù)合材料的輻射特性計算方法的問題，而提出一種基于FDTD的碳纖維復(fù)合材料輻射特性數(shù)值模擬方法。

一種基于FDTD的碳纖維復(fù)合材料輻射特性數(shù)值模擬方法，所述的方法通過以下步驟實現(xiàn)：

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(fù)合材料的結(jié)構(gòu)；

步驟二、設(shè)定仿真區(qū)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(shù)；

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(shù)數(shù)據(jù)，并將多組數(shù)據(jù)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(fù)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(fù)合材料的結(jié)構(gòu)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(fù)合材料的輻射特性影響、三維亂序結(jié)構(gòu)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(fù)合材料的熱防護性能改善。

本發(fā)明的有益效果為：