[發(fā)明專利]一種連續(xù)纖維增強陶瓷基復合材料跨尺度損傷預測方法

有效

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• 申請日: 2022-04-24
• 公開（公告）號: CN114692468B
• 公開（公告）日: 2023-09-19
• 發(fā)明（設計）人: 劉建濤;周俊杰;金鑄城;柴華;曾慶豐;馮志強;關康
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F113/26;G06F119/02;G06F119/14
• 代理公司: 成都其知創(chuàng)新專利代理事務所(普通合伙) 51326
• 代理人: 房立普

本發(fā)明公開了一種一種連續(xù)纖維增強陶瓷基復合材料跨尺度損傷預測方法，包括建立宏觀尺度構件有限元模型；建立纖維束尺度有限元模型；建立其統(tǒng)計模型；建立纖維絲尺度有限元模型；計算宏觀尺度下所有單元的高斯點應變；計算纖維束尺度下所有單元的高斯點應變；計算其纖維束尺度位移；計算其宏觀尺度位移；利用相場法求解相場并更新宏觀尺度的邊界條件，迭代整個過程，從而預測損傷演化。本發(fā)明可快速實現連續(xù)纖維增強陶瓷基復合材料宏觀形狀、位置和角度的精確建模，從底層的纖維絲尺度開始計算，全面考慮了連續(xù)纖維增強陶瓷基復合材料的纖維束尺度下纖維形狀對宏觀尺度損傷的影響，能夠更加準確的預測連續(xù)纖維增強陶瓷基復合材料的損傷。

技術領域

本發(fā)明屬于連續(xù)纖維增強陶瓷基復合材料跨尺度損傷預測研究技術領域，具體是一種連續(xù)纖維增強陶瓷基復合材料跨尺度損傷預測方法。

背景技術

連續(xù)纖維增強陶瓷基復合材料自誕生以來，因其耐高溫、高強度、強韌性、低密度、熱膨脹小及抗磨損等優(yōu)良性能，被廣泛用于制造飛機、航天器、火箭等發(fā)動機和核能的關鍵部件。目前國內外各研究機構在材料制備、性能改良、制造工藝等相關領域開展了諸多開創(chuàng)性的研究工作?？傮w而言，我國在連續(xù)纖維增強陶瓷基復合材料基礎研究、產業(yè)化和應用等方面與西方國家仍存在一定差距。

連續(xù)纖維增強陶瓷基復合材料的宏觀性能及損傷機制不僅與基體材料特性密切相關，且與微結構組成、界面相組成及分布、增強相黏著/接觸狀態(tài)、孔隙特征和裂紋分布等有關。鑒于其制備過程影響因素眾多，目前，在不同相熱膨脹系數不匹配、增強相抗氧化、材料宏觀參數精確預測和內部損傷跨尺度表征等方面仍存在較多亟待解決的問題。長期以來，連續(xù)纖維增強陶瓷基復合材料的材料損傷多采用實驗測試獲得，難以對其進行預測。鑒于其微結構缺陷存在隨機性，且不同位置的編織方式存在差異，導致測試結果存在一定差異。

因此，建立連續(xù)纖維增強陶瓷基復合材料跨尺度損傷預測方法，并系統(tǒng)分析各種因素的影響機制，不僅有助于指導微結構編織方式選擇和材料性能改善，更可優(yōu)化材料合成工藝和合成新型陶瓷基復合材料。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于提供一種連續(xù)纖維增強陶瓷基復合材料跨尺度損傷預測方法，該方法結合連續(xù)纖維增強陶瓷基復合材料微結構模型參數模型，可實現陶瓷基復合材料跨尺度建模；通過相場法引入纖維束尺度計算結果對宏觀尺度的損傷進行預測。

本發(fā)明解決上述技術問題所提供的技術方案是：一種連續(xù)纖維增強陶瓷基復合材料跨尺度損傷預測方法，包括以下步驟：

S1、建立連續(xù)纖維增強陶瓷基復合材料的宏觀尺度構件有限元模型；

S2、建立包含任意復雜編織預制體的纖維束尺度有限元模型；

S3、通過導入CT掃描得到的孔隙信息，建立其形狀、位置、尺寸、分布的統(tǒng)計模型，并在纖維束尺度模型引入自然缺陷特征；

S4、建立纖維絲尺度有限元模型，并通過統(tǒng)計模型引入自然缺陷特征；

S5、引入并行計算，計算宏觀尺度下所有單元的高斯點應變，作為纖維束尺度下模型的邊界條件；

S6、引入并行計算，計算纖維束尺度下所有單元的高斯點應變，以作為纖維絲尺度下模型的邊界條件；

S7、采用CPU+GPU并行計算算法，在纖維絲尺度下計算平均應力和平均應變返回纖維束尺度計算其纖維束尺度位移；

S8、在纖維束尺度下計算平均應力和平均應變返回宏觀尺度計算其宏觀尺度位移；

S9、在宏觀尺度下，引入上一步計算處的位移場，利用相場法求解相場并更新宏觀尺度的邊界條件，迭代整個過程，從而預測損傷演化。

進一步的技術方案是，所述步驟S1具體實現方法為：建立宏觀尺度模型，修改其邊界從而預設一條裂紋。

進一步的技術方案是，所述步驟S2具體實現方法為：