CN109241694A - 一种编织陶瓷基复合材料预制体宏细观一体化建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种编织陶瓷基复合材料预制体宏细观一体化建模方法，可依据编织陶瓷基复合材料的实际细观结构，建成了包含纤维束、基体及孔隙的细观模型，且模型精确度高，能准确反映出材料各组成部分，为后续的有限元计算建立了基础。本发明建立模型的过程完全实现了参数化，当结构尺寸发生变化时，可通过仅修改参数达到快速修改模型的目的。本发明可模拟材料制备时基体不断生长的过程，通过控制基体厚度的参数可使基体逐渐长大，以适应不同材料的基体占比以及孔隙率，可应用范围广。

Description

一种编织陶瓷基复合材料预制体宏细观一体化建模方法

技术领域

本发明涉及陶瓷基复合材料技术领域，具体涉及一种编织陶瓷基复合材料参数化建模方法。

背景技术

陶瓷基复合材料(CMCs)有高强度、高弹性模量、低密度、耐高温、抗烧蚀等特点，具有代替金属作为航空发动机热端部件材料的潜力，所以对CMCs的研究成为航空材料领域研究的热门。其中，编织CMCs是CMCs的主要类型，包括2D编织CMCs、2.5D编织CMCs和3D编织CMCs等。编织CMCs具有复杂的预制体结构，给研究人员对其力学模型与失效模式的分析造成了困难，所以建立能准确反映编织CMCs预制体结构的三维模型是有必要的。

目前对编织CMCs建模的研究主要有计算机图形识别方法。该方法首先通过XCT技术获得CMCs预制体结构的内部图像，然后通过计算机图形识别技术识别出对应的经纱、纬纱和基体，将每一幅经过识别的图片堆叠起来，建立编织CMCs预制体结构的模型(见中国专利申请CN106469454A《一种复合材料细观结构的计算机图形识别技术和三维建模方法》)。此技术只能根据已有的试验件进行识别并建模，不能进行模型的设计以及模拟基体生长等过程，具有一定局限性。另外一些学者建立了编织CMCs的单胞模型，再对单胞模型进行力学行为分析(见孔春元等,2.5维C/SiC复合材料单胞模型及刚度预测.航空动力学报,2011(11):第2459-2467页)。这种建立单胞模型的方法没有考虑到沿纤维束周围生长的基体，和实际材料有一定差距，而且某些零件具有不规则的复杂结构，如开孔板等，这种构件就不宜应用单胞模型进行计算和分析。

发明内容

本发明的技术目的是针对现有技术的不足，提供一种改进的编织陶瓷基复合材料预制体宏细观一体化建模方法，该方法可以真实地反映出各个方向纱线、基体以及孔隙等细观结构，同时参数化的设计使得模型可作快速修改，应用范围更广。

为实现上述技术目的，本发明提供的技术方案为：

一种编织陶瓷基复合材料预制体宏细观一体化建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)用几何图形模拟编织陶瓷基复合材料预制体结构中纤维束的截面形状，创建所述纤维束的截面；

2)用曲线模拟编织陶瓷基复合材料预制体结构中经线纤维束的走向，利用所述函数创建拟合出所述曲线，并将经线纤维束的截面沿着所述曲线扫掠，获得一个经线纤维束的模型；

3)重复步骤2)，针对编织陶瓷复合材料预制体结构中走向不同的经线纤维束，各自建立一个模型；

4)用直线模拟编织陶瓷基复合材料预制体结构中纬线纤维束的走向，利用函数创建拟合出所述直线，并将纬线纤维束的截面沿着所述直线扫掠，获得一个纬线纤维束的模型；

5)用几何图形模拟包裹经线/纬线纤维束的基体截面形状，根据预设的基体厚度参数，创建基体的截面，并将基体的截面沿着经线纤维束或纬线纤维束的中轴线进行扫掠，建立经线或纬线纤维束外基体的模型；或者以基体的外轮廓形状创建截面，将外轮廓截面沿着经线纤维束或纬线纤维束的中轴线进行扫掠后，将得到的体对基体内的纤维束模型进行布尔减操作，去除基体干涉至纤维束的部分，获得基体模型；

经线纤维束模型与其外部的基体模型组成一个完整的经线单元模型，纬线纤维束模型与其外部的基体模型组成一个完整的纬线单元模型；

6)根据所述编织陶瓷复合材料预制体结构的编织方法对经线单元模型、纬线单元模型分别进行阵列，根据需要建立的预制体结构尺寸确定相应的阵列参数；

7)将阵列中所有经线和纬线单元模型的基体部分选中，进行布尔加操作，使之合并成为一个整体模块；再选中所述基体的整体模块，对阵列中所有单元模型的纤维束部分进行布尔减操作，去除基体干涉至纤维束的部分，得到编织陶瓷基复合材料预制体结构的基础模型；

8)用平面对所述基础模型进行切割，得到包含纤维束、基体和孔隙结构的细观模型截面图，根据所述细观模型截面图反映的信息，通过改变基体的厚度参数模拟基体的生长，调整模型的孔隙率，得到目标模型。

在上述方案的基础上，进一步改进或优选的方案还包括：

步骤1)中，用椭圆模拟纤维束的截面形状；

步骤2)中，用正弦曲线模拟经线纤维束的走向；

步骤3)中，编织陶瓷基复合材料预制体结构包括两种不同走向的经线纤维束类型，两种不同走向的经线纤维束用周期、振幅相等，但相位相反的两条正弦曲线模拟表示；步骤6)的阵列中，两种不同走向的经线纤维束按纬线方向间隔交错布置，纬线纤维束从两种不同走向的经线限位束的中间位置穿去。

有益效果：

1)本发明可依据编织陶瓷基复合材料的实际细观结构，建成了包含纤维束、基体及孔隙的细观模型。模型精确度高，能准确反映出材料各组成部分，为后续的有限元计算建立了基础。

2)本发明建立模型的过程完全实现了参数化，当结构尺寸发生变化时，可通过仅修改参数达到快速修改模型的目的。

3)本发明可模拟材料制备时基体不断生长的过程，通过控制基体厚度的参数可使基体逐渐长大，以适应不同材料的基体占比以及孔隙率，可应用范围广。

附图说明

图1为建立经线纤维束模型的示意图；

图2为建立经线纤维束基体模型的示意图；

图3为建立不同走向的经线纤维束模型示意图；

图4为经线纤维束阵列的横截面示意图；

图5为预制体结构模型的侧视图；

图6a为预制体结构模型横截面的示意图；

图6b为预制体结构模型纵截面的示意图；

图7为材料的XCT照片与模型纵截面的对比示意图；

图8为模拟基体生长过程的示意图；

图9编织陶瓷基复合材料预制体结构的宏观模型整体示意图。；

图10为经线纤维束阵列的立体结构示意图。

具体实施方式

为了进一步阐明本发明的技术方案，下面结合附图与具体实施例对本发明做详细的介绍。

本实施例以2.5维编织陶瓷基复合材料预制体宏细观一体化建模方法为例，在UG软件中进行操作，其过程如下：

1)用椭圆模拟2.5维编织陶瓷基复合材料预制体结构中纱线纤维束的截面形状，包括经线纤维束和纬线纤维束，假设经线纤维束与纬线纤维束截面形状相同，如图1左侧所示，在草图上创建短半径为a、长半径为b的椭圆。

2)用第一正弦函数曲线y＝A sin(2πx/T)模拟第一经线纤维束的走向，其中：A为曲线的振幅，T为曲线一个周期的长度,x,y分别为该函数坐标系x轴，y轴上的取值。创建第一正弦函数曲线，沿第一正弦函数曲线扫掠第一经线纤维束的椭圆截面得到第一经线纤维束的模型，过程如图1右侧所示。

3)针对编织陶瓷复合材料预制体结构中走向不同的经线纤维束，各自建立一个模型。

如图3所示，用第二正弦函数曲线y＝-Asin(2πx/T)模拟第二经线纤维束的走向，其中：A为曲线的振幅，T为曲线一个周期的长度,x,y分别为该函数坐标系x轴，y轴上的取值。创建第二正弦函数曲线，沿第二正弦函数曲线扫掠第二经线纤维束的椭圆截面得到第二经线纤维束的模型。

第一正弦函数曲线和第二正弦函数曲线在经向上平行，周期、振幅相等，但相位相反。

4)用直线模拟纬线纤维束的走向，利用直线函数创建拟合出所述直线，并将纬线纤维束的椭圆截面沿着所述直线扫掠，获得一个纬线纤维束的模型；

5)用几何图形模拟包裹经线/纬线纤维束的基体截面形状，根据预设的基体厚度参数，创建基体的截面，并将基体的截面沿着经线纤维束或纬线纤维束的中轴线进行扫掠，建立经线或纬线纤维束外基体的模型；或者以基体的外轮廓形状创建截面，将外轮廓截面沿着经线纤维束或纬线纤维束的中轴线进行扫掠后，将得到的体对基体内的纤维束模型进行布尔减操作，去除基体干涉至纤维束的部分，获得基体模型。

以后一种方式为例，如图2所示，在第一经线纤维束模型的基础上，设定其基体的厚度为参数m，创建与其截面相同中心点、短半径为a+m、长半径为b+m的椭圆，沿着第一经线纤维束走向的正弦函数曲线扫掠此椭圆截面，得到体后，再将其对第一经线纤维束模型进行布尔减操作，去除基体干涉至纤维束的部分，创建出横截面为椭圆环的基体模型。

经线纤维束模型与其外部的基体模型组成一个完整的经线单元模型，纬线纤维束模型与其外部的基体模型组成一个完整的纬线单元模型。

6)根据所述编织陶瓷复合材料预制体结构的编织方法对经线单元模型、纬线单元模型分别进行阵列，根据需要建立的预制体结构尺寸确定相应的阵列参数。如图5、图10所示，第一经线纤维束、第二经线纤维束沿着纬线纤维束延伸的方向交错布置，纬线纤维束从两种经线纤维束的中间位置穿过。

7)将阵列中所有经线和纬线单元模型的基体部分选中，进行布尔加操作，使之合并成为一个整体模块；再选中所述基体的整体模块，对阵列中所有单元模型的纤维束部分进行布尔减操作，去除基体干涉至纤维束的部分，各纤维束通过基体便形成了连接，得到基础模型。

8)用平面对所述基础模型进行切割，得到包含纤维束(截面)、基体(截面)和孔隙结构(截面)的细观模型截面图。根据所述细观模型截面图反映的信息，判断孔隙大小等，在所述基础模型的基础上，通过改变基体的厚度参数模拟基体的生长，调整模型内的孔隙率，得到适用的目标模型。

图7中，将模型截面与材料的XCT照片做对比，可以看出模型精确度高，且能准确反映出基体、纤维束、孔隙等细观结构。通过调整基体的厚度参数，可直观的模拟基体的生长过程。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种编织陶瓷基复合材料预制体宏细观一体化建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）用几何图形模拟编织陶瓷基复合材料预制体结构中纤维束的截面形状，创建所述纤维束的截面；

2）用曲线模拟编织陶瓷基复合材料预制体结构中经线纤维束的走向，利用所述函数创建拟合出所述曲线，并将经线纤维束的截面沿着所述曲线扫掠，获得一个经线纤维束的模型；

3）重复步骤2），针对编织陶瓷复合材料预制体结构中走向不同的经线纤维束，各自建立一个模型；

4）用直线模拟编织陶瓷基复合材料预制体结构中纬线纤维束的走向，利用函数创建拟合出所述直线，并将纬线纤维束的截面沿着所述直线扫掠，获得一个纬线纤维束的模型；

5）用几何图形模拟包裹经线/纬线纤维束的基体截面形状，根据预设的基体厚度参数，创建基体的截面，并将基体的截面沿着经线纤维束或纬线纤维束的中轴线进行扫掠，建立经线或纬线纤维束外基体的模型；或者以基体的外轮廓形状创建截面，将外轮廓截面沿着经线纤维束或纬线纤维束的中轴线进行扫掠后，将得到的体对基体内的纤维束模型进行布尔减操作，去除基体干涉至纤维束的部分，获得基体模型；

经线纤维束模型与其外部的基体模型组成一个完整的经线单元模型，纬线纤维束模型与其外部的基体模型组成一个完整的纬线单元模型；

6）根据所述编织陶瓷复合材料预制体结构的编织方法对经线单元模型、纬线单元模型分别进行阵列，根据需要建立的预制体结构尺寸确定相应的阵列参数；

7）将阵列中所有经线和纬线单元模型的基体部分选中，进行布尔加操作，使之合并成为一个整体模块；再选中所述基体的整体模块，对阵列中所有单元模型的纤维束部分进行布尔减操作，去除基体干涉至纤维束的部分，得到编织陶瓷基复合材料预制体结构的基础模型；

8）用平面对所述基础模型进行切割，得到包含纤维束、基体和孔隙结构的细观模型截面图，根据所述细观模型截面图反映的信息，通过改变基体的厚度参数模拟基体的生长，调整模型的孔隙率，得到目标模型。

2.根据权利要求1所述的一种编织陶瓷基复合材料预制体宏细观一体化建模方法，其特征在于：

步骤1）中，用椭圆模拟纤维束的截面形状；

步骤2）中，用正弦曲线模拟经线纤维束的走向；

步骤3）中，编织陶瓷基复合材料预制体结构包括两种不同走向的经线纤维束类型，两种不同走向的经线纤维束用周期、振幅相等，但相位相反的两条正弦曲线模拟表示；步骤6）的阵列中，两种不同走向的经线纤维束按纬线方向间隔交错布置，纬线纤维束从两种不同走向的经线限位束的中间位置穿过。