[發明專利]陶瓷基復合材料結構中的氣體擴散及氧化演化計算方法

在審

• 申請號: 202011191832.8
• 申請日: 2020-10-30
• 公開（公告）號: CN112329299A
• 公開（公告）日: 2021-02-05
• 發明（設計）人: 高希光;時曉婷;宋迎東;于國強;張盛;倪政
• 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;G01N33/38;G01N33/00;G01N15/08
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 張明浩

本發明陶瓷基復合材料結構中的氣體擴散及氧化演化計算方法，包括以下步驟：確定結構件中的溫度、載荷分布；確定結構中的基體裂紋分布；基于基體裂紋分布，建立纖維束尺度的等效擴散系數模型，預測纖維束中的氣體流通通道；對通道中的氣體擴散總量進行平均，建立基體裂紋分布相關的纖維束復合材料尺度等效擴散系數模型；建立RVE模型；建立RVE尺度的等效擴散系數模型，計算結構中的氣體濃度和氧化產物分布；計算各單元中裂紋、孔隙處的氧化物生長厚度；更新氣體通道的填封情況，再次計算新的等效擴散系數場和氧化產物分布。本發明預測了陶瓷基復合材料結構內部不同尺度的氣體通道演化情況；實現了通道差異引起的結構內部氣體濃度分布的變化計算。

技術領域

本發明屬于陶瓷基復合材料氧化分析領域，具體涉及一種編織陶瓷基復合材料結構氧化的計算方法，特別是考慮結構內部氣體濃度分布差異引起氧化生成物分布不均的氧化演化及氣體濃度分布的計算方法。

背景技術

陶瓷基復合材料(CMCs)因在高溫下具有優異的力學性能而在航空發動機熱端部件領域有廣泛的應用前景。在服役過程中陶瓷基復合材料結構件將受到高溫、應力、氧化的耦合作用，導致結構強度降低。實現高溫環境下CMCs結構的氧化計算，獲得氧化后的形貌，可以為氧化后剩余力學性能計算提供初始參數，是CMCs結構氧化后強度分析、壽命預測的基礎。

為將陶瓷基復合材料可靠地應用于工程實際，國內外許多學者針對應力氧化環境下陶瓷基復合材料的氧化行為展開了研究。目前，現有的方法多為材料級別的氧化動力學分析，對陶瓷基復合材料結構級的氧化研究未見公開。如：《一種應力水蒸氣環境下單向陶瓷基復合材料內部氧化形貌預測方法》(中國專利CN110246548A)公開了一種應力水蒸氣環境下單向陶瓷基復合材料內部氧化形貌預測方法。《一種應力氧化環境下陶瓷基復合材料內部氧化形貌預測方法》(中國專利CN111243681A)公開了一種應力氧化環境下單向SiC/SiC復合材料內部氧化形貌預測方法，考慮了C界面的氧化缺口形貌變化。

上述方法主要基于氧化動力學模型計算CMCs材料級別的氧化，需事先確定材料與氧化環境接觸表面的環境參數(如：溫度、壓力、氣體濃度等)。但由于實際CMCs結構中內部基體裂紋和纖維束間孔隙分布存在差異，因而存在各個不同尺度的氧化氣體通道。這種現象導致結構內各點處的氣體濃度并不相同，因此氧化程度也不相同。基于現有的材料級模型，難以確定結構內部各點處的氣體濃度，也就無法預測反應擴散過程中結構件內部的氧化產物分布。因此，有必要提供一種編織陶瓷基復合材料結構氧化的計算方法，解決由于擴散通道差異引起的氣體分布問題，實現CMCs結構級的氧化計算。

發明內容

本發明針對現有技術中的不足，提出了陶瓷基復合材料結構中的氣體擴散及氧化演化計算方法。

為實現上述技術目的，本發明采取的技術方案為：

陶瓷基復合材料結構中的氣體擴散及氧化演化計算方法，包括以下步驟：

步驟1：確定結構件中的溫度、載荷分布；

步驟2：確定結構中的基體裂紋分布：根據步驟1的溫度場、應力場，基于基體開裂模型，計算結構中溫度、應力相關的基體裂紋密度ρ_crack、基體裂紋寬度d_crack；

步驟3：基于基體裂紋分布，建立纖維束尺度的等效擴散系數模型，預測纖維束中的氣體流通通道；基于基體裂紋分布，考慮在軸向長度為L的纖維束復合材料中，其基體裂紋寬度為d_crack，基體裂紋密度為ρ_crack，對通道中的氣體擴散總量進行平均，建立基體裂紋分布相關的纖維束復合材料尺度等效擴散系數模型；

步驟4：建立編織陶瓷基復合材料代表性體積單元模型，即RVE模型；對結構件所用的編織CMCs細觀結構XCT掃描圖像進行圖像識別，經紗走向采用余弦函數進行描述，緯紗則以直線形式描述，觀測獲取幾何參數，建立對應的RVE模型；