[發明專利]一種陶瓷基復合材料流固耦合響應計算方法

有效

• 申請號: 201911020077.4
• 申請日: 2019-10-24
• 公開（公告）號: CN110633556B
• 公開（公告）日: 2020-05-26
• 發明（設計）人: 宋迎東;韓棟;高希光;張盛;于國強
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F119/14
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 上官鳳棲

本發明提供一種陶瓷基復合材料流固耦合響應計算方法，方法包括：通過多尺度方法計算CMCs單胞模型加卸載應力應變遲滯曲線；通過單胞模型計算所得到的加卸載遲滯回線，插值出任意加卸載遲滯回線響應，并將其作為代理模型用于流固耦合固體域動力學計算；流固耦合界面上，流體載荷通過CFD計算，編寫程序讀取流體載荷并映射到固體結點上，以及讀取固體結點的位移并映射到流體結點上，流體域與固體域采用相同的時間步長。本發明實現了CMCs流固耦合響應的計算，CMCs加卸載下的變剛度、遲滯行為描述簡單，易于實現；動力學求解的魯棒性好，不易發散。

技術領域

本發明屬于編織陶瓷基復合材料(ceramic matrix composites,CMCs)流固耦合響應計算領域，具體涉及一種陶瓷基復合材料流固耦合響應計算方法。

背景技術

編織CMCs在高溫下，具有高比強度、高比模量、耐腐蝕等優點，是制造高溫結構的理想材料。CMCs在受載時，由于陶瓷基體的脆性，材料在應變很小的情況下即會產生裂紋，因此工程應用中CMCs通常處于非線性段。在振動過程中，CMCs是處于不斷加卸載情況下，會呈現復雜的變剛度、遲滯現象。此外，CMCs結構的服役環境通常伴隨著流固耦合作用(fluid-structure interaction,FSI)，FSI有時甚至是導致結構失效的主要因素。因此發展一種CMCs結構的流固耦合響應的計算方法是十分必要的。

目前，弱耦合求解方法在工程獲得了廣泛應用，因為可以最大程度地利用已有的固體域和流體域求解程序。然而目前在流固耦合仿真中，還少有考慮到材料加卸載下的變剛度和遲滯行為。如《一種基于交錯迭代耦合技術的薄壁結構動力學熱性預測方法》(中國專利CN 103177162 B)公開了一種計算薄壁流固耦合響應的方法，該專利中固體域采用Newmark法計算，未考慮材料的非線性。崔鵬、韓景龍(崔鵬,韓景龍.切尖三角翼極限環振蕩的氣動彈性模擬[J].航空學報,2010,31(12):2295-2301.)在切尖三角翼的流固耦合計算中，固體域考慮了材料非線性，并采用Newmark法計算動力學響應，但也未考慮材料的遲滯行為。

前述流固耦合相關的專利和論文，固體域均未考慮材料的遲滯行為，這是因為工程應用中，設計人員通常保證材料通常工作于其線性段，就算進入的非線性段，金屬材料的遲滯行為也可以忽略。然而CMCs在工程應用中，CMCs的變剛度、遲滯行為不能忽略。在振動過程中，CMCs承受的實質上是任意加卸載過程。針對任意加卸載下，CMCs的應力應變計算方法如《單向陶瓷基復合材料任意加卸載應力應變行為預測方法》(中國專利CN 104866690B)公開了一種計算任意加卸載本構響應的計算方法，但是該方法需要反復迭代，不適合動力學計算。針對陶瓷基復合材料動力學仿真方法如《一種確定陶瓷基復合材料非線性振動響應的方法》(中國專利CN 106777595 B)公開了一種確定陶瓷基復合材料振動響應的方法，雖然該方法相較于上一個計算量大幅減少，可用于動力學計算，但該專利中在計算子遲滯回線時運算量還是較大，且在多次加卸載的情況下會積累較大的誤差，從而導致動力學計算的魯棒性較差。此外，變剛度、遲滯本構模型的引入，也給動力學方程的求解帶來了極大挑戰。因為加卸載下剛度會發生突變，從而引入了間斷點，進而引起的動力學方程計算結果的不收斂。

可見，目前CMCs流固耦合計算仍面臨以下問題：(1)固體域缺少能夠描述材料變剛度、遲滯行為的高效本構模型；(2)考慮材料變剛度、遲滯行為的固體域動力學方程求解問題。

發明內容

本發明針對現有技術中的不足，提供一種陶瓷基復合材料流固耦合響應計算方法。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種陶瓷基復合材料流固耦合響應計算方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟一：建立編織CMCs代表體元的有限元模型，并賦予纖維束合適的細觀力學模型；