CN106649984A - 基于可控微结构的编织复合材料物性参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于可控微结构的编织复合材料物性参数设计方法，采用通用单胞思想，建立了介/细观传热/力学分析模型；基于网格变形技术，通过代表性周期性胞元各组分细观尺度以及胞元外形的改变，结合多尺度分析和多目标优化，可快速、有效地兼顾材料热物性参数的定向可设计需求和“轻量化”追求。本发明在不改变现有编织复合材料的制造加工工艺的基础上，以较低的设计成本和较短的设计周期获得适合2D、2.5D和3D编织复合材料需要的物性参数。

Description

基于可控微结构的编织复合材料物性参数设计方法

技术领域

本发明属于复合材料制备领域，具体的说是一种可控微结构的编织复合材料物性参数设计方法。

背景技术

增强碳化硅陶瓷基复合材料具有高强度、高硬度、耐高温、低密度等一系列优异性能，已成为航空航天领域极具发展前景的新一代高温热结构材料。编织碳纤维增强碳化硅复合材料因其优异的高温性能被大量应用于耐热部件，如大型运载火箭扩张段、各类导弹发动机部件、航天飞机的头部和机翼前缘等，这不仅要求编织复合材料承受很高的载荷，而且还要承受很高的温度。同时，对飞行器而言，“重量就是生命”，事关其经济性、机动性、小型化和隐身等。因此，编织复合材料设计中，如何快速、有效地兼顾材料热物性参数的定向可设计需求和“轻量化”追求，优化改进材料的结构属性，突破复合材料重量和体积约束，已成为各航空航天大国新一代飞行器研制过程中急需解决的关键问题之一。

基于微结构优化的热物性设计是实现编织复合材料按需设计的一条新途径。然而，完全通过参数分析或实验方式设计编织复合材料的物性参数是非常困难的；而基于拓扑结构优化的微结构设计，尽管在微结构材料与结构的空间排列等方面有独特优势，但会改变现有编织复合材料的制造加工工艺，一定程度上会增加设计与加工的成本。显然，有必要发展新型的微结构可控设计方法，在不改变现有编织复合材料的制造加工工艺的基础上，以较低的设计成本、较短的设计周期和最小的质量获得适合具体材料与结构工作需要的物性参数。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种基于可控微结构的编织复合材料物性参数设计方法，可快速、有效地兼顾材料物性参数的定向可设计需求和“轻量化”追求。

本发明的目的是这样实现的：基于可控微结构的编织复合材料物性参数设计方法，包括以下步骤：

步骤一：根据纤维束和编织结构的特征，采用通用单胞思想，建立了介/细观传热/力学分析的有限元模型，中，代表性胞元的选取有多种方式，但通过胞体模板扩展，能够将代表性胞元的热物性与力学性能应用到宏观材料的物性预测。

步骤二：基于网格变形技术，建立单胞可变形区域与变形控制点，其中控制点沿预定方向的位移作为目标优化的变量。

其中，为超声波发射频率；为超声波在壁内单向传播的距离（即壁厚）；为纵波声速，为横波声速。和与壁所用材料性能和炉壁或管壁所受温度相关。

步骤三：通过传热/力学分析，获取等效的编织复合材料物性参数。

其中，热物性参数的预测方法可参考如下公式：

等效导热系数：

等效密度：

等效热容：

式中：是热流密度；为传热距离；是加热面的温度；是六面体中与加热面平行面的温度；是体积；是比热容；是密度；是导热系数；下标“”表示等效；下标“”表示组分编号。

力学参数的预测方法如下公式：

等效导热系数：

等效弹性模量：

式中：是平均应变，为该方向上的温度差，为力载荷。

步骤四：建立基于轻量化设计的复合材料物性参数多目标优化模型和计算方法，得到需求的相关参数。

本发明的优点在于：

1、兼顾尺寸优化和形状优化两种模式，即在细观尺度通过编织角度、纤维尺寸、基体尺寸以及代表性胞元尺寸等的优化，实现编织复合材料各方向所需性能参数的可设计。

2、兼顾材料热物性参数的定向可设计需求和“轻量化”追求，实现最小质量下的编织复合材料物性参数设计。

3、基于网格变形技术的微结构设计，是在代表性胞元网格模型上建立网格变形的控制体，通过移动控制体的控制点以直接改变计算网格而不需要网格拓扑结构的变化，这避免在优化过程中重复生成胞元结构几何外形和网格模型，能够快速有效地解决优化过程中的网格自动更新问题，极大地简化了优化流程。与参数分析和实验方法相比，该设计方法可以显著地降低设计成本与缩短设计周期，且获得全局最优解。

4、基于网格变形技术的微结构设计，由于不需要代表性胞元网格拓扑结构的变化，因此不会改变现有编织复合材料的制造加工工艺。这使得在现有技术和设备基础上即可进行材料的精细化可控设计，不增加生产成本的同时就可以获取各方向所需的材料参数。

附图说明

附图1为本发明所选取的代表性胞元有限元模型；

附图2为本发明的基于网格变形技术建立的控制体模型及其各组分尺寸的变化案例；

附图3为本发明的基于可控微结构的编织复合材料物性参数设计流程；

附图4为本发明优化后的外形轮廓曲线；

附图5为本发明的温度场响应特性的对比结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明为基于可控微结构的编织复合材料物性参数设计方法，首先建立编织复合材料细观传热特性分析的有限元（FEM）模型。代表性胞元的合理选取对材料物性参数的预测有重要影响。建立如附图1a的编织复合材料代表性胞元的有限元模型。计算中纤维丝为T300，基体材料为环氧树脂，纤维丝直径7μm，轴向长度300μm，详细参数见表1。在x和y向的与z向纤维交接的两个面上施加旋转对称边界，x和y向的另两个面施加对称边界。在z向顶端面施加500000 W/m2, z向底端面施加300K温度。

表1 编织材料各组分的热物性参数

基于网格变形技术建立的控制体模型，如附图2a所示。其中控制体有两个，一个是基于立方体（整个胞元）建立，用于控制分别控制胞元整体、X Y-编织纤维、z-纤维和SiC基体三个方向尺寸的变化；另一个是圆柱形的控制体，用于控制z-纤维的三个方向尺寸变化。总共有八个控制变量。

以1e9个原始单胞尺寸的结构（各方向1e3个原始单胞尺寸）重量最小为目标，同时要求胞元整体z向的导热系数目标达到90 W/m K。以此目标进行优化设计，优化流程如附图3所示。优化流程包括：在建立FEM模型后，可分别进行优化热物性参数和力学性能参数计算，优化热物性参数计算包括热载荷分析、热传分析和节点温度设计，力学性能参数的计算包括热-固耦合分析和应力与变形计算；也可在建立FEM模型后先进行优化热物性参数计算然后进行力学性能参数计算，参数计算完成后对轻量化设计的优化目标与约束条件进行分析，若是收敛则设计结束，若是不收敛则对网格进行变形处理，然后设计新的控制变量建立新的FEM模型，再重新进行参数计算设计，直到设计优化结束。

优化后，如附图4所示，从代表性胞元的网格模型中可以获取优化后的外形轮廓曲线。

附图5给出了两者的温度场响应特性，与原始模型相比，z向的导热系数由原始的84.98 W/m K增大为90 W/m K，而结构减重达5.78%。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本申请所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本申请型的保护范围之中。

Claims (3)

1.基于可控微结构的编织复合材料物性参数设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）根据纤维束和编织结构的特征，采用通用单胞思想，建立介/细观传热/力学分析的有限元模型，通过胞体模板扩展，将代表性胞元的热物性与力学性能应用到宏观材料的物性预测；

2）基于网格变形技术，建立单胞可变形区域与变形控制点，其中所述控制点沿预定方向的位移作为目标优化的变量；

3）通过传热/力学分析，获取等效的编织复合材料物性参数，其中，热物性参数的预测方法如下公式：

等效导热系数：

等效密度：

等效热容：

式中： 是热流密度； 为传热距离； 是加热面的温度； 是六面体中与加热面平行面的温度； 是体积； 是比热容； 是密度； 是导热系数；下标“ ”表示等效；下标“ ”表示组分编号；

力学参数的预测方法如下公式：

等效导热系数：

等效弹性模量：

式中： 是平均应变， 为该方向上的温度差， 为力载荷；

4）建立基于轻量化设计的复合材料物性参数多目标优化模型，所述优化模型的优化计算包括优化热物性参数计算和优化力学性能参数计算。

2.根据权利要求1所述的基于可控微结构的编织复合材料物性参数设计方法，其特征在于，基于有限元方法优化获取编织复合材料各方向物性参数中，采用网格变形技术进行单胞外形及其各组分尺寸的改变。

3.根据权利要求1所述的基于可控微结构的编织复合材料物性参数设计方法，其特征在于，所述编织复合材料为2D、2.5D和3D编织复合材料。