[發(fā)明專利]連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料自然孔隙信息擬合方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110251336.5
• 申請(qǐng)日: 2021-03-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113033042A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-06-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 曾慶豐;杜欣珂;鄧慶祝;劉建濤;馮志強(qiáng);關(guān)康
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/23
• 分類號(hào): G06F30/23;G16C60/00;G06K9/62;G06F113/26
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專利中心 61204
• 代理人: 屠沛

本發(fā)明提供連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料自然孔隙信息擬合方法，解決現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)分析方法極少考慮自然孔隙實(shí)際形狀、方向及分布等特征信息，導(dǎo)致研究人員難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料宏觀性能和構(gòu)件使用壽命的問(wèn)題。1)對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行斷層掃描，通過(guò)閾值分割提取所有自然孔隙的數(shù)字化特征；2)對(duì)自然孔隙進(jìn)行四面體有限元網(wǎng)格劃分，得到其節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)矩陣和單元組成矩陣；3)提取自然孔隙的四面體單元組成，確定自然孔隙中心坐標(biāo)矩陣；4)對(duì)自然孔隙進(jìn)行主成分分析，確定自然孔隙的主軸方向；5)對(duì)自然孔隙進(jìn)行形狀優(yōu)化擬合，獲得其最佳擬合參數(shù)，包括孔隙形狀、尺寸和方向；6)對(duì)所有自然孔隙的擬合參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料微結(jié)構(gòu)仿真評(píng)價(jià)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料自然孔隙信息擬合方法。

背景技術(shù)

連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料(CMC)由于具備耐高溫、耐磨、低密度、高韌性等特性，在航空航天、核能等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)外眾多科研機(jī)構(gòu)和院校對(duì)連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的制備、性能改良、生產(chǎn)工藝等進(jìn)行了大量研究，以期待進(jìn)一步提升和改善其性能。雖然中國(guó)近年來(lái)在纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足發(fā)展，但同其他國(guó)家相比，在基礎(chǔ)理論、試驗(yàn)方法和實(shí)際應(yīng)用等方面仍存在不小差距。

CMC的一個(gè)重要特征是基體及增韌相內(nèi)存有大量的缺陷，包括孔隙、裂紋、初始損傷等，此類缺陷對(duì)材料的宏觀性能和服役安全影響顯著。目前，實(shí)驗(yàn)測(cè)試仍是研究CMC性能最常用的方法，但該過(guò)程成本極高，周期長(zhǎng)，且獲得的數(shù)據(jù)通常存在很大差異。隨著計(jì)算機(jī)硬件和計(jì)算理論的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬成為解決此類問(wèn)題的有力工具；有限元法因其成本低、效率高，是一種定量評(píng)價(jià)孔洞、裂紋等缺陷對(duì)CMC材料和構(gòu)件性能影響的可行方法。此外，CMC制備過(guò)程影響因素眾多，目前，在不同相熱膨脹系數(shù)不匹配、增韌相抗氧化、材料宏觀性能精確預(yù)測(cè)和內(nèi)部損傷跨尺度表征等方面仍存在較多亟待解決的問(wèn)題。

當(dāng)前，一些商業(yè)軟件(例如AVIZO等)可實(shí)現(xiàn)對(duì)生物組織、CMC等材料內(nèi)孔隙半徑、分布等信息的統(tǒng)計(jì)分析，但往往極少考慮自然孔隙實(shí)際形狀、方向及分布等特征信息，從而影響研究人員準(zhǔn)確預(yù)測(cè)連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料宏觀性能和構(gòu)件使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)分析方法極少考慮自然孔隙實(shí)際形狀、方向及分布等特征信息，導(dǎo)致研究人員難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料宏觀性能和構(gòu)件使用壽命的不足之處，而提供了一種連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料自然孔隙信息擬合方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)解決方案是：

一種連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料自然孔隙信息擬合方法，其特殊之處在于，包括以下步驟：

1)對(duì)連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料進(jìn)行斷層掃描，通過(guò)閾值分割提取連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料內(nèi)所有自然孔隙的數(shù)字化特征；

2)利用步驟1)獲得的數(shù)字化特征，對(duì)每個(gè)自然孔隙進(jìn)行四面體有限元網(wǎng)格劃分，得到其節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)矩陣和單元組成矩陣；

3)利用步驟2)得到的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)矩陣與單元組成矩陣，提取每個(gè)自然孔隙的四面體單元組成，并確定每個(gè)自然孔隙中心坐標(biāo)矩陣；

4)對(duì)每個(gè)自然孔隙，利用步驟3)獲得的中心坐標(biāo)矩陣進(jìn)行主成分分析，確定每個(gè)自然孔隙的三個(gè)主軸方向；

5)利用步驟4)得到的三個(gè)主軸方向，對(duì)每個(gè)自然孔隙進(jìn)行形狀優(yōu)化擬合，獲得每個(gè)自然孔隙的最佳擬合參數(shù)，所述擬合參數(shù)包括孔隙形狀、尺寸和方向；

6)對(duì)所有自然孔隙的擬合參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到自然孔隙的特征信息，即三個(gè)主軸(a、b、c)長(zhǎng)度、形狀控制參數(shù)n、以及歐拉角(α、β、γ)。

進(jìn)一步地，步驟1)具體是：