[發(fā)明專利]一種纖維預(yù)制體CVI致密化過程的仿真方法

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• 申請日: 2020-12-31
• 公開（公告）號: CN112784401A
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 朱立平;吳仁民;孫珊珊;郭居上;楊成
• 申請（專利權(quán)）人: 南京玻璃纖維研究設(shè)計院有限公司;中材科技股份有限公司
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F111/10;G06F113/26
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專利中心 32203
• 代理人: 陳鵬

本發(fā)明公開了一種纖維預(yù)制體CVI致密化過程的仿真方法，包括：獲取纖維預(yù)制體參數(shù)；構(gòu)建周期性對稱的單胞模型；對單胞模型中的流體計算域和固體計算域進行網(wǎng)格劃分；通過有限體積法離散單胞內(nèi)CVI致密化過程的控制方程；在CFD求解器中加載程序單元；設(shè)置材料屬性、化學(xué)反應(yīng)和邊界條件；迭代求解離散的控制方程，計算收斂后獲得單胞填充完成所需時間；優(yōu)化單胞模型重復(fù)模擬預(yù)制體孔隙演變的過程；根據(jù)最優(yōu)單胞模型可視化單胞內(nèi)封閉孔的形成過程和微結(jié)構(gòu)的演變過程。本發(fā)明獲得單胞的填充時間和填充度，可視化預(yù)制體封閉孔的形成過程和微結(jié)構(gòu)的演變過程，為CVI工藝中纖維預(yù)制體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供指導(dǎo)，從而提高復(fù)合材料的性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及材料仿真領(lǐng)域，具體涉及一種纖維預(yù)制體CVI致密化過程的仿真方法。

背景技術(shù)

化學(xué)氣相滲透(CVI)工藝是將預(yù)制體放入沉積爐中，在一定的溫度下通入前驅(qū)氣體(如三氯甲基硅烷、甲烷等)，通入的前驅(qū)氣體以擴散、流動的方式(主要以擴散為主)進入預(yù)制體孔隙內(nèi)發(fā)生熱解反應(yīng)，在預(yù)制體孔隙中生成填充物(如碳、碳化硅等)，然后以涂層的方式沉積于纖維表面，隨著沉積持續(xù)進行，預(yù)制體內(nèi)孔隙表面的涂層越來越厚，孔隙越來越小，直至涂層出現(xiàn)層疊，形成連續(xù)的基體。

用化學(xué)氣相滲透已成功地制備碳/碳材料，碳纖維增強碳化硅等材料。這些材料已廣泛應(yīng)用于航空、航天、冶金、化工、原子能等各個領(lǐng)域。由于CVI工藝特點，預(yù)制體內(nèi)部不可避免生成殘余封閉孔，過大的殘余孔隙會嚴重影響陶瓷基復(fù)合材料的熱物理性能。因此，通過設(shè)計預(yù)制體結(jié)構(gòu)來減小封閉孔體積、提升預(yù)制體的填充率顯得尤為必要。然而，由于沉積反應(yīng)和氣相傳質(zhì)之間的復(fù)雜關(guān)系，CVI致密化工藝控制難度大且加工周期長，不利于大量的實驗研究。近年來，計算機數(shù)值模擬技術(shù)也十分成熟，利用仿真技術(shù)有助于理解CVI工藝機理，預(yù)測致密化的過程，有效地分析實驗數(shù)據(jù)，從而縮短預(yù)制體優(yōu)化設(shè)計的周期，已被普遍認為是對CVI實驗過程的重要補充。然而，在目前的數(shù)值模擬研究中，大部分沒有充分考慮纖維編織體中常見的雙尺度孔隙，即纖維束內(nèi)單絲間的孔隙以及纖維束和纖維束之間的孔隙，不能準(zhǔn)確估算實際預(yù)制體傳質(zhì)、傳熱能力隨致密化程度的演變，因而大大影響了數(shù)值模擬的可靠性和實用性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種纖維預(yù)制體CVI致密化過程的仿真方法，該方法可以模擬織物在纖維絲尺度到纖維束尺度的致密化過程，準(zhǔn)確預(yù)測殘余封閉孔的形成、單胞填充度以及填充完成時間，提高了數(shù)值模擬的可靠性和實用性。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是：一種纖維預(yù)制體CVI致密化過程的仿真方法，包括以下步驟：

步驟1、獲取纖維預(yù)制體參數(shù)：包括材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，材料參數(shù)包括纖維材料種類和其各項熱物性參數(shù)，結(jié)構(gòu)參數(shù)包括纖維截面尺寸、經(jīng)緯密、編織方式和纖維束內(nèi)單絲的體積分數(shù)；

步驟2、構(gòu)建單胞模型：根據(jù)織物周期性對稱的特性，取其最小代表性單元，構(gòu)建周期性對稱的單胞模型；

步驟3、劃分計算域網(wǎng)格：對單胞模型中的流體計算域和固體計算域進行網(wǎng)格劃分；

步驟4、有限體積法對單胞模型離散化：基于單胞模型CVI致密化過程的質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程以及組分濃度守恒方程，通過有限體積法離散控制方程；

步驟5、加載計算平臺：在CFD求解器中加載程序單元，程序單元指定填充相在單胞模型的流體計算域和固體計算域網(wǎng)格單元中的質(zhì)量轉(zhuǎn)化和沉積方式，還原CVI過程預(yù)制體孔隙演變的過程；

步驟6、在CFD求解器中設(shè)置材料屬性、化學(xué)反應(yīng)和邊界條件：材料屬性為各項熱物性參數(shù)以及混合氣的組成，化學(xué)反應(yīng)為CVI過程涉及的化學(xué)反應(yīng)，包括反應(yīng)類型、方程式、指前因子、活化能和反應(yīng)速率，邊界條件包括進口參數(shù)變量、出口參數(shù)變量、纖維壁面、單胞壁面；

步驟7、在CFD求解器中迭代求解計算：初始化單胞模型，設(shè)置時間步長，執(zhí)行程序單元，進行非穩(wěn)態(tài)迭代計算來求解離散的控制方程，監(jiān)控殘差曲線變化，計算收斂后獲得單胞填充完成所需時間；