CN109344475A - 基于fdtd的碳纤维复合材料辐射特性数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

基于FDTD的碳纤维复合材料辐射特性数值模拟方法。目前缺少碳纤维复合材料的辐射特性计算方法的问题。本发明使用FDTD Solution软件对材料模型进行模拟仿真，通过软件模拟出碳纤维及其复合材料的结构，得到的吸收截面、散射截面、吸收因子、散射因子的多组参数数据；采用时域有限差分法，模拟计算，吸收截面、散射截面、吸收因子、散射因子来得出吸收散射能量占入射能量的比例，从而计算出碳纤维的辐射特性；在通过对这些分析，得到碳纤维复合材料的结构对其辐射特性的影响。通过热辐射特性的理论计算，更好的分析各影响因素对其辐射特性的影响，根据理论对碳纤维及其复合材料的结构作出进一步的改善，使其在热防护中有更好地应用。

Description

基于FDTD的碳纤维复合材料辐射特性数值模拟方法

技术领域

本发明涉及一种基于FDTD的碳纤维复合材料辐射特性数值模拟方法。

背景技术

从我们日常生活中的太阳照射、工业生产中的热处理工艺、火灾爆炸现场的高温火焰，到高速飞行器飞行时与空气摩擦产生的大量热。这些热源释放出的巨大的热能都可能造成安全事故。热防护在避免产生由热造成的安全事故中扮演了必不可缺的角色对于高温作业场所，若不采取相应的热防护措施，可能会引发作业人员患有热射病、热衰竭等疾病，对其身体健康造成巨大的影响。对于高速飞行器来说，采取热防护措施可以避免恶劣的热环境对其的伤害，提高其飞行时的安全性和可靠性，避免发生由热引起的解体事故。由于碳纤维具有耐热性能好、抗腐蚀能力强等多种的优良性能，使其在飞行器的防热层中担当着重要的角色。

碳纤维是有机纤维通过高温分解与碳化形成的，一系列的变化使得材料中的碳含量达到90％以上。其结构主要是由石墨组成的。碳纤维除了单独可以使用外，其优良的特性使其同样可以作为复合材料的中的增强相。根据所需材料的功能不同，碳纤维可以与其他材料形成碳纤维复合材料。由于复合材料基底的不同，碳纤维复合材料主要分为4种：碳纤维/树脂基复合材料、碳纤维/碳复合材料、碳纤维/陶瓷基复合材料还有碳纤维/金属基复合材料。碳纤维复合材料也都具有良好的耐热性能、抗腐蚀、强度高等有点。这些优点使得碳纤维及碳纤维复合材料在航天器的热防护方面有很大的应用。以c/c复合材料为例，他被应用在航天器、高速飞行器的防热系统中，降低这种恶劣的高温环境对飞行器本身造成的危害，避免发生安全事故，为其能够完成飞行任务提供了一份安全保障。

我们通过热辐射特性的理论计算,对碳纤维的辐射特性做更近一步的研究,分析各影响因素对其辐射特性的影响,使用数值模拟的方法对碳纤维及其复合材料的结构提供进一步的改善方案，使其在热防护中有更好地应用。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前缺少碳纤维复合材料的辐射特性计算方法的问题，而提出一种基于FDTD的碳纤维复合材料辐射特性数值模拟方法。

一种基于FDTD的碳纤维复合材料辐射特性数值模拟方法，所述的方法通过以下步骤实现：

步骤一、使用FDTD Solution软件对材料模型进行模拟仿真，通过软件模拟出碳纤维及其复合材料的结构；

步骤二、设定仿真区域并得到不同光波长度下的吸收截面、散射截面、吸收因子、散射因子的参数；

步骤三、整理得到的吸收截面、散射截面、吸收因子、散射因子的多组参数数据，并将多组数据进行对比，通过观察曲线的趋势分析各因素对碳纤维及其复合材料辐射特性的影响；

步骤四、采用时域有限差分法，模拟计算，吸收截面、散射截面、吸收因子、散射因子来得出吸收散射能量占入射能量的比例，从而计算出碳纤维的辐射特性；

步骤五、在通过对这些分析，得到碳纤维复合材料的结构对其辐射特性的影响；

步骤六、通过碳纤维的疏密程度对辐射特性的影响、基底对碳纤维复合材料的辐射特性影响、三维乱序结构排布对碳纤维辐射特性的影响、碳纳米管对碳纤维辐射特性的影响，进行碳纤维及其复合材料的热防护性能改善。

本发明的有益效果为：

本发明是目前对于碳纤维及其复合材料辐射特性的研究基本上都是通过实验测量来进行的，缺乏理论计算，为了能够更好的对材料进行结构改进从而适应更多复杂的应用环境，本研究将从理论出发，利用麦克斯韦方程，并使用时域有限差分法对碳纤维及其复合材料进行辐射特性的研究，分析其结构、各变量对其辐射特性的影响。

本发明使用FDTD Solution软件对材料模型进行模拟仿真，可以通过软件对碳纤维及其复合材料的结构模拟出来，然后设定仿真区域并能得到不同光波长度下的散射截面等参数，将数据进行整理后，将多组数据进行对比，可以通过观察曲线的趋势分析各因素对碳纤维及其复合材料辐射特性的影响。

本发明不单单只从结构对碳纤维及其复合材料辐射特性的影响做分析，还会从其他材料对碳纤维辐射特性做分析，例如碳纤维表面涂覆碳纳米管或在碳纤维中加入其他的基质，这样可使分析相对全面一些。

通过计算出碳纤维的辐射特性，从理论上分析碳纤维得到吸收截面、散射截面、吸收因子、散射因子的数据，分析吸收散射能量占入射能量的比例，从而体现不同的碳纤维及其复合材料热辐射特性。在通过对这些分析，我们可以得到碳纤维复合材料的结构对其辐射特性的影响，从而得到什么样的碳纤维及其复合材料具有更好地热防护性能。

具体实施方式

具体实施方式一：

本实施方式的一种基于FDTD的碳纤维复合材料辐射特性数值模拟方法，所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、使用FDTD Solution软件对材料模型进行模拟仿真，通过软件模拟出碳纤维及其复合材料的结构；

步骤二、设定仿真区域并得到不同光波长度下的吸收截面、散射截面、吸收因子、散射因子的参数；

步骤三、整理得到的吸收截面、散射截面、吸收因子、散射因子的多组参数数据，并将多组数据进行对比，通过观察曲线的趋势分析各因素对碳纤维及其复合材料辐射特性的影响；

步骤四、采用时域有限差分法，模拟计算，吸收截面、散射截面、吸收因子、散射因子来得出吸收散射能量占入射能量的比例，从而计算出碳纤维的辐射特性；

步骤五、在通过对这些分析，得到碳纤维复合材料的结构对其辐射特性的影响；

步骤六、通过碳纤维的疏密程度对辐射特性的影响、基底对碳纤维复合材料的辐射特性影响、三维乱序结构排布对碳纤维辐射特性的影响、碳纳米管对碳纤维辐射特性的影响，进行碳纤维及其复合材料的热防护性能改善。

具体实施方式二：

与具体实施方式一不同的是，本实施方式的基于FDTD的碳纤维复合材料辐射特性数值模拟方法，步骤六所述的进行碳纤维及其复合材料的热防护性能改善通过以下方式：

第1，模拟碳纤维疏密程度变化对辐射特性的影响，进行热防护性能改善：

设定碳纤维的纵向是平行的，将其结构体XY方向的截面简化为随机分布的圆形，设计算的结构体XY方向的截面面积不变，用简化的圆形数量表示碳纤维的数量，圆形数量的多少即表示碳纤维的疏密程度，利用FDTD Solution软件进行仿真计算分析，通过orgin软件处理数据，模拟碳纤维的疏密程度变化对其辐射特性的影响；

第2，模拟不同的基底对碳纤维复合材料的辐射特性影响，进行热防护性能改善：

根据不同基质的折射率，将其输入在FDTD Solution软件的材料库中，基于麦克斯韦方程，结合时域有限差分法，通过全场/散射场的方法，引入平面光源计算指定波长下碳纤维的散射截面、吸收截面、散射因子、吸收因子，模拟碳纤维是纵向平行的情况下，不同的吸收基质对其辐射特性的影响；

第3，模拟三维乱序结构排布对碳纤维辐射特性的影响，进行热防护性能改善：

在仿真中将碳纤维简化成圆柱体，模拟碳纤维纵横交错状态模型，通过计算，分析这种状态下碳纤维的辐射特性；

第4，模拟碳纳米管对碳纤维辐射特性的影响，进行热防护性能改善：

建立碳纤维表面涂覆碳纳米管的结构模型，进行模拟仿真，分析碳纳米管对碳纤维辐射特性的影响。

具体实施方式三：

与具体实施方式一或二不同的是，本实施方式的基于FDTD的碳纤维复合材料辐射特性数值模拟方法，所述的基于麦克斯韦方程，模拟不同的吸收基质对其辐射特性的影响的过程为，麦克斯韦方程组既有微分形式又有积分形式，其中微分形式基本可以表征大部分电磁学基本原理，由于微分形式本身的特点，它可以计算微小物体复杂结构的电磁现象，形式如下：

式中，各项表示如下：E为电场强度，D为电通量密度，H为磁场强度，B为磁通量，J为电流密度；

事实上，麦克斯韦方程只是提供了波在介质中的传播方法，并没有给出波和介质之间的联系，即不同的介质会影响光波在各种介质中的传播过程。因此，用麦克斯韦方程组计算波的传播过程之前，一定要考虑到介质的作用，利用物质方程将麦克斯韦方程和物质属性联系起来，表示如下：

D＝εE

B＝μH

J＝σE

式中，各项表示如下：ε为介电常数，μ为介质磁导率，σ为电导率；

将麦克斯韦方程写成直角坐标的形式后，用FDTD对麦克斯韦方程组进行求解，从而可以得到所需的物理量；把式的最后两个方程改写成直角坐标的形式，其形式如下：

具体实施方式四：

与具体实施方式三不同的是，本实施方式的基于FDTD的碳纤维复合材料辐射特性数值模拟方法，所述的设定仿真区域并得到不同光波长度下的吸收截面、散射截面、吸收因子、散射因子的参数的过程为，光谱散射截面的定义为C_scat＝k_scat/N,其中N为粒子密度；得：散射截面是单位体积内单个粒子的散射系数，对于只有散射性质的介质，设入射辐射I_λ垂直投射到介质的截面A上，经过dx距离散射的能量为dI_λ，则

式中dV＝Adx，此式的物理意义可写为：

dx距离内的散射强度与入射强度的比等于dV体积内的总散射面积与入射面积的比。由此看出散射截面是散射体散射能力的一种等效截面。对于非均匀粒径的粒子群有下列关系

式中C_sλ(r)为半径为r粒子的散射截面；N(r)为半径为r的粒子数密度；

对于含粒子的吸收特性、衰减特性可用吸收截面及衰减截面表示，定义为：

C_abs＝k_abs/N

C_ext＝k_ext/N。

具体实施方式五：

与具体实施方式一、二或四不同的是，本实施方式的基于FDTD的碳纤维复合材料辐射特性数值模拟方法，所述的整理得到的吸收截面、散射截面、吸收因子、散射因子的多组参数数据的过程为，粒子的辐射特性利用吸收因子Q_abs、散射因子Q_scat、以及衰减因子Q_ext来描述，散射因子的定义是散射截面与入射方向散射体的几何投影面积A之比，定义式为：

同理吸收因子的定义式为：

衰减因子的定义式为：

且三者有以下关系：Q_ext＝Q_abs+Q_scat。

Claims (5)

1.一种基于FDTD的碳纤维复合材料辐射特性数值模拟方法，其特征在于：所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、使用FDTD Solution软件对材料模型进行模拟仿真，通过软件模拟出碳纤维及其复合材料的结构；

步骤二、设定仿真区域并得到不同光波长度下的吸收截面、散射截面、吸收因子、散射因子的参数；

步骤三、整理得到的吸收截面、散射截面、吸收因子、散射因子的多组参数数据，并将多组数据进行对比，通过观察曲线的趋势分析各因素对碳纤维及其复合材料辐射特性的影响；

步骤四、采用时域有限差分法，模拟计算，吸收截面、散射截面、吸收因子、散射因子来得出吸收散射能量占入射能量的比例，从而计算出碳纤维的辐射特性；

步骤五、在通过对这些分析，得到碳纤维复合材料的结构对其辐射特性的影响；

步骤六、通过碳纤维的疏密程度对辐射特性的影响、基底对碳纤维复合材料的辐射特性影响、三维乱序结构排布对碳纤维辐射特性的影响、碳纳米管对碳纤维辐射特性的影响，进行碳纤维及其复合材料的热防护性能改善。

2.根据权利要求1所述基于FDTD的碳纤维复合材料辐射特性数值模拟方法，其特征在于：步骤六所述的进行碳纤维及其复合材料的热防护性能改善通过以下方式：

第1，模拟碳纤维疏密程度变化对辐射特性的影响，进行热防护性能改善：

设定碳纤维的纵向是平行的，将其结构体XY方向的截面简化为随机分布的圆形，设计算的结构体XY方向的截面面积不变，用简化的圆形数量表示碳纤维的数量，圆形数量的多少即表示碳纤维的疏密程度，利用FDTD Solution软件进行仿真计算分析，通过orgin软件处理数据，模拟碳纤维的疏密程度变化对其辐射特性的影响；

第2，模拟不同的基底对碳纤维复合材料的辐射特性影响，进行热防护性能改善：

根据不同基质的折射率，将其输入在FDTD Solution软件的材料库中，基于麦克斯韦方程，结合时域有限差分法，通过全场/散射场的方法，引入平面光源计算指定波长下碳纤维的散射截面、吸收截面、散射因子、吸收因子，模拟碳纤维是纵向平行的情况下，不同的吸收基质对其辐射特性的影响；

第3，模拟三维乱序结构排布对碳纤维辐射特性的影响，进行热防护性能改善：

在仿真中将碳纤维简化成圆柱体，模拟碳纤维纵横交错状态模型，通过计算，分析这种状态下碳纤维的辐射特性；

第4，模拟碳纳米管对碳纤维辐射特性的影响，进行热防护性能改善：

建立碳纤维表面涂覆碳纳米管的结构模型，进行模拟仿真，分析碳纳米管对碳纤维辐射特性的影响。

3.根据权利要求1或2所述基于FDTD的碳纤维复合材料辐射特性数值模拟方法，其特征在于：所述的基于麦克斯韦方程，模拟不同的吸收基质对其辐射特性的影响的过程为，麦克斯韦方程组既有微分形式又有积分形式，其中微分形式基本可以表征大部分电磁学基本原理，由于微分形式本身的特点，它可以计算微小物体复杂结构的电磁现象，形式如下：

▽·B＝0

▽·D＝ρ

式中，各项表示如下：E为电场强度，D为电通量密度，H为磁场强度，B为磁通量，J为电流密度；用麦克斯韦方程组计算波的传播过程之前，利用物质方程将麦克斯韦方程和物质属性联系起来，表示如下：

D＝εE

B＝μH

J＝σE

式中，各项表示如下：ε为介电常数，μ为介质磁导率，σ为电导率；

将麦克斯韦方程写成直角坐标的形式后，用FDTD对麦克斯韦方程组进行求解，从而可以得到所需的物理量；把式的最后两个方程改写成直角坐标的形式，其形式如下：

4.根据权利要求3所述基于FDTD的碳纤维复合材料辐射特性数值模拟方法，其特征在于：所述的设定仿真区域并得到不同光波长度下的吸收截面、散射截面、吸收因子、散射因子的参数的过程为，光谱散射截面的定义为C_scat＝k_scat/N,其中N为粒子密度；对于只有散射性质的介质，设入射辐射I_λ垂直投射到介质的截面A上，经过dx距离散射的能量为dI_λ，则

式中dV＝Adx，

非均匀粒径的粒子群有下列关系：

式中C_sλ(r)为半径为r粒子的散射截面；N(r)为半径为r的粒子数密度；

对于含粒子的吸收特性、衰减特性可用吸收截面及衰减截面表示，定义为：

C_abs＝k_abs/N

C_ext＝k_ext/N。

5.根据权利要求1、2或4所述基于FDTD的碳纤维复合材料辐射特性数值模拟方法，其特征在于：所述的整理得到的吸收截面、散射截面、吸收因子、散射因子的多组参数数据的过程为，粒子的辐射特性利用吸收因子Q_abs、散射因子Q_scat、以及衰减因子Q_ext来描述，散射因子定义式为：

吸收因子的定义式为：

衰减因子的定义式为：

且三者有以下关系：Q_ext＝Q_abs+Q_scat。