CN112784401A - 一种纤维预制体cvi致密化过程的仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纤维预制体CVI致密化过程的仿真方法，包括：获取纤维预制体参数；构建周期性对称的单胞模型；对单胞模型中的流体计算域和固体计算域进行网格划分；通过有限体积法离散单胞内CVI致密化过程的控制方程；在CFD求解器中加载程序单元；设置材料属性、化学反应和边界条件；迭代求解离散的控制方程，计算收敛后获得单胞填充完成所需时间；优化单胞模型重复模拟预制体孔隙演变的过程；根据最优单胞模型可视化单胞内封闭孔的形成过程和微结构的演变过程。本发明获得单胞的填充时间和填充度，可视化预制体封闭孔的形成过程和微结构的演变过程，为CVI工艺中纤维预制体结构的优化设计提供指导，从而提高复合材料的性能。
Description
技术领域
本发明涉及材料仿真领域，具体涉及一种纤维预制体CVI致密化过程的仿真方法。
背景技术
化学气相渗透(CVI)工艺是将预制体放入沉积炉中，在一定的温度下通入前驱气体(如三氯甲基硅烷、甲烷等)，通入的前驱气体以扩散、流动的方式(主要以扩散为主)进入预制体孔隙内发生热解反应，在预制体孔隙中生成填充物(如碳、碳化硅等)，然后以涂层的方式沉积于纤维表面，随着沉积持续进行，预制体内孔隙表面的涂层越来越厚，孔隙越来越小，直至涂层出现层叠，形成连续的基体。
用化学气相渗透已成功地制备碳/碳材料，碳纤维增强碳化硅等材料。这些材料已广泛应用于航空、航天、冶金、化工、原子能等各个领域。由于CVI工艺特点，预制体内部不可避免生成残余封闭孔，过大的残余孔隙会严重影响陶瓷基复合材料的热物理性能。因此，通过设计预制体结构来减小封闭孔体积、提升预制体的填充率显得尤为必要。然而，由于沉积反应和气相传质之间的复杂关系，CVI致密化工艺控制难度大且加工周期长，不利于大量的实验研究。近年来，计算机数值模拟技术也十分成熟，利用仿真技术有助于理解CVI工艺机理，预测致密化的过程，有效地分析实验数据，从而缩短预制体优化设计的周期，已被普遍认为是对CVI实验过程的重要补充。然而，在目前的数值模拟研究中，大部分没有充分考虑纤维编织体中常见的双尺度孔隙，即纤维束内单丝间的孔隙以及纤维束和纤维束之间的孔隙，不能准确估算实际预制体传质、传热能力随致密化程度的演变，因而大大影响了数值模拟的可靠性和实用性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纤维预制体CVI致密化过程的仿真方法，该方法可以模拟织物在纤维丝尺度到纤维束尺度的致密化过程，准确预测残余封闭孔的形成、单胞填充度以及填充完成时间，提高了数值模拟的可靠性和实用性。
实现本发明目的的技术方案是：一种纤维预制体CVI致密化过程的仿真方法，包括以下步骤：
步骤1、获取纤维预制体参数：包括材料参数和结构参数，材料参数包括纤维材料种类和其各项热物性参数，结构参数包括纤维截面尺寸、经纬密、编织方式和纤维束内单丝的体积分数；
步骤2、构建单胞模型：根据织物周期性对称的特性，取其最小代表性单元，构建周期性对称的单胞模型；
步骤3、划分计算域网格：对单胞模型中的流体计算域和固体计算域进行网格划分；
步骤4、有限体积法对单胞模型离散化：基于单胞模型CVI致密化过程的质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及组分浓度守恒方程，通过有限体积法离散控制方程；
步骤5、加载计算平台：在CFD求解器中加载程序单元，程序单元指定填充相在单胞模型的流体计算域和固体计算域网格单元中的质量转化和沉积方式，还原CVI过程预制体孔隙演变的过程；
步骤6、在CFD求解器中设置材料属性、化学反应和边界条件：材料属性为各项热物性参数以及混合气的组成，化学反应为CVI过程涉及的化学反应，包括反应类型、方程式、指前因子、活化能和反应速率，边界条件包括进口参数变量、出口参数变量、纤维壁面、单胞壁面；
步骤7、在CFD求解器中迭代求解计算：初始化单胞模型，设置时间步长，执行程序单元，进行非稳态迭代计算来求解离散的控制方程，监控残差曲线变化，计算收敛后获得单胞填充完成所需时间；
步骤8、在CFD求解器中优化单胞模型重复模拟预制体孔隙演变的过程，包括以下步骤：
步骤8-1：增加纤维束中纤维单丝数目，减小单丝直径，构建更精细化的单胞模型，同时计算单胞模型完成CVI复合过程所对应的填充时间；
步骤8-2：再重复步骤8-1，计算该次填充完成时间与上次填充完成时间的填充完成时间差值；
步骤8-3：如果填充完成时间差值小于设定阈值，得到最优单胞模型，执行步骤9，否则继续执行步骤8-1；
步骤9、在CFD求解器中获取仿真过程：根据最优单胞模型获得单胞填充完成时间和填充度，并根据最优单胞模型可视化单胞内封闭孔的形成过程和微结构的演变过程。
进一步的，所述步骤2构建周期性对称的单胞模型包括：构建多根单丝组成的纤维束简化实际织物纱束中成千上万的纤维单丝结构，且纤维束内纤维单丝所占体积分数与实际织物纱束内纤维单丝体积分数一致。
进一步的，所述步骤5中，所述程序单元还原CVI过程预制体孔隙演变的过程包括：
步骤5-1，首先将单胞模型内的空隙区域指定为初始孔隙率为1、粘性阻力系数和惯性阻力系数为0的多孔介质区域；
步骤5-2，碳质量首先在纤维单丝外表面的第一层网格上固定沉积下来，随着碳的持续流动第一层网格单元会被填满，孔隙率到达0，然后从第一层网格单元向外搜索周围网格单元；
步骤5-3，更新周围每个网格单元的碳质量、孔隙率、粘性阻力系数和惯性阻力系数，将周围每个网格单元循环迭代执行步骤5-2，直至整个区域网格的循环遍历；
步骤5-4，得到碳在纤维表面沉积并向外堆积生长的孔隙演变过程。
进一步的，所述步骤5-3中，更新周围每个网格单元的碳质量、孔隙率、粘性阻力系数和惯性阻力系数具体为：
网格单元的碳质量和孔隙率的计算关系式如下：
Mc＝Vcell*ε*ρcell*Yc (1)
ε＝1-Mc/(ρc*Vcell) (2)
式中，Mc为网格单元内混合气体中碳质量，Vcell为网格单元的体积，ε为网格单元孔隙率，ρcell为网格单元的密度，Yc为网格单元内混合气中碳所占的质量分数，ρc为碳的密度；
根据计算出的孔隙率通过厄根经验公式计算粘性阻力系数和惯性阻力系数。
进一步的，所述步骤8-2中填充完成时间差值计算公式为：|tn-tn-1|/tn；tn-1为上次即第n-1次填充完成时间，tn为第n次填充完成时间。
进一步的，所述步骤8-3中阈值为1％。
进一步的，所述步骤6中的进口参数变量和出口参数变量包括混合气的流速、温度、组分和比例。
进一步的，所述热物性参数包括密度、粘度、比热容和导热系数。
本发明还提供一种纤维预制体CVI致密化过程的仿真系统，包括纤维预制体参数模块、单胞模型构建模块、单胞模型网格划分模块、单胞模型离散模块和模型优化模块；
纤维预制体参数模块用于设置材料参数和结构参数；
单胞模型构建模块用于构建周期性对称的单胞模型；
单胞模型网格划分模块用于对单胞模型中的流体计算域和固体计算域进行网格划分；
单胞模型离散模块有限体积法对单胞模型离散化；
模型优化模块用于对离散化的单胞模型进行优化，还原CVI过程预制体孔隙演变的过程。
本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述仿真方法的步骤。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述仿真方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)可以描述沉积过程中预制体的结构、反应气体传质能力和热量传输能力随沉积程度演变的过程；
(2)预测织物单胞填充完成时间和填充度，为预制体结构的优化设计提供参考；
(3)能够用来优化设计预制体的结构，缩短CVI工艺的填充时间并提高预制体的填充度，最终改善复合材料的性能。
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为本发明中封闭孔形成过程示意图。
图3为本发明中纤维束致密化过程示意图。
图4(a)为不同单丝根数的平纹单胞正视面纤维分布图，图4(b)为优化后的单胞模型三维结构图。
图5为本发明纤维预制体单胞致密化过程示意图。
具体实施方式
结合图1，一种纤维预制体CVI致密化过程的仿真方法，包括以下步骤：
步骤1、获取纤维预制体参数：包括材料参数和结构参数，材料参数包括纤维材料种类和其各项热物性参数，所述热物性参数包括密度、粘度、比热容、导热系数，结构参数包括纤维截面尺寸、经纬密、编织方式和纤维束内单丝的体积分数；
步骤2、构建单胞模型：根据织物周期性对称的特性，取其最小代表性单元，构建周期性对称的单胞模型，构建多根单丝组成的纤维束简化实际织物纱束中成千上万的纤维单丝结构，且纤维束内纤维单丝所占体积分数与实际织物纱束内纤维单丝体积分数一致，计算不同单丝根数的单胞模型完成CVI复合过程所对应的填充时间，通过判定条件进行单丝根数无关性检测来获得用于CVI计算的最优单胞模型；
步骤3、划分计算域网格：对单胞模型中的流体计算域和固体计算域进行网格划分；
步骤4、有限体积法对单胞模型离散化：基于单胞模型CVI致密化过程的质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及组分浓度守恒方程，通过有限体积法离散所述守恒方程，最后求解得到离散的单胞模型；
步骤5、加载计算平台：在CFD求解器中加载程序单元，程序单元指定填充相在单胞模型的流体计算域和固体计算域网格单元中的质量转化和沉积方式，还原CVI过程预制体孔隙演变的过程，单胞内涉及传热、传质以及孔隙演变的过程，反应生成的碳会在纤维表面进行沉积然后再向外堆积生长直到填充完成。
结合图2，程序单元还原CVI过程预制体孔隙演变的过程包括：
步骤5-1，首先将单胞内的空隙区域指定为初始孔隙率为1、流动阻力(粘性阻力系数和惯性阻力系数)为0的多孔介质区域；
步骤5-2，碳质量首先在纤维单丝外表面的第一层网格上固定沉积下来，随着碳的持续流动第一层网格单元会被填满，孔隙率到达0，然后从第一层网格单元向外搜索周围网格单元；
步骤5-3，更新周围每个网格单元的碳质量、孔隙率、粘性阻力系数和惯性阻力系数，将周围每个网格单元循环迭代执行步骤5-2，直至整个区域网格的循环遍历；网格单元的碳质量和孔隙率的计算关系式如下：
Mc＝Vcell*ε*ρcell*Yc (1)
ε＝1-Mc/(ρc*Vcell) (2)
式中，Mc为网格单元内混合气体中碳质量，Vcell为网格单元的体积，ε为网格单元孔隙率，ρcell为网格单元的密度，Yc为网格单元内混合气中碳所占的质量分数，ρc为碳的密度；
根据计算出的孔隙率通过厄根公式计算粘性阻力系数和惯性阻力系数；
步骤5-4，得到碳在纤维表面沉积并向外堆积生长的孔隙演变过程；
步骤6、在CFD求解器中设置材料属性、化学反应和边界条件：材料属性为各项热物性参数以及混合气的组成，化学反应为CVI过程涉及的化学反应，包括反应类型、方程式、指前因子、活化能和反应速率，边界条件包括进口参数变量、出口参数变量、纤维壁面、单胞壁面；进口参数变量和进口参数变量包括混合气的流速、温度、组分、比例；
步骤7、在CFD求解器中迭代求解计算：初始化单胞模型，设置时间步长，执行程序单元进行非稳态迭代计算，监控残差和出口混合气中各组分含量变化，获得填充时间；通过观察残差曲线的变化来判断计算是否收敛，收敛后就停止迭代计算；
步骤8、结合图3，在CFD求解器中优化单胞模型重复模拟预制体孔隙演变的过程，该过程保持纤维束内单丝的体积分数不变：
步骤8-1：增加纤维束中纤维单丝数目，减小单丝直径，构建更精细化的单胞模型，同时计算单胞模型完成CVI复合过程所对应的填充时间；
步骤8-2：再重复步骤8-1，计算该次填充完成时间与上次填充完成时间的填充完成时间差值；
步骤8-3：如果填充完成时间差值小于设定阈值，得到最优单胞模型，执行步骤9，否则继续执行步骤8-1；
步骤9、在CFD求解器中获取仿真过程：根据最优单胞模型获得单胞填充完成时间和填充度，并根据最优单胞模型可视化单胞内封闭孔的形成过程和微结构的演变过程。
一种纤维预制体CVI致密化过程的仿真系统，包括纤维预制体参数模块、单胞模型构建模块、单胞模型网格划分模块、单胞模型离散模块和模型优化模块；
纤维预制体参数模块用于设置材料参数和结构参数；
单胞模型构建模块用于构建周期性对称的单胞模型；
单胞模型网格划分模块用于对单胞模型中的流体计算域和固体计算域进行网格划分；
单胞模型离散模块有限体积法对单胞模型离散化；
模型优化模块用于对离散化的单胞模型进行优化，还原CVI过程预制体孔隙演变的过程。
关于纤维预制体CVI致密化过程的仿真系统的具体限定可以参见上文中对于纤维预制体CVI致密化过程的仿真方法的限定，在此不再赘述。
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述仿真方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述仿真方法的步骤。
所述纤维预制体CVI致密化过程的仿真方法可以描述沉积过程中预制体的结构、反应气体传质能力和热量传输能力随沉积程度演变的过程，获得单胞的填充时间和填充度，可视化预制体封闭孔的形成过程和微结构的演变过程。为CVI工艺中纤维预制体结构的优化设计提供指导，从而提高复合材料的性能。
实施例
以甲烷热解生成的碳在二维平纹碳纤维预制体中的渗透沉积为例，一种纤维预制体CVI致密化过程的仿真方法，包括以下步骤：
1)获得织物参数：织物的材料参数和结构参数，包括材料的各向热物性参数和编织方式、纤维尺寸、经纬密、纤维束内单丝的体积分数等；
2)构建单胞模型：根据织物结构取其周期性对称的代表性单元——单胞，构建由纤维单丝组成纤维束的单胞模型，并划分体素网格；
3)有限体积法对单胞模型离散化：基于单胞模型CVI致密化过程的质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及组分浓度守恒方程，通过有限体积法离散所述守恒方程，最后求解得到离散的单胞模型；
4)材料属性赋值：在CFD求解器中设置纤维材料的各项热物性参数以及混合气的组成；
5)边界条件设置：包括进口(混合气的流速、温度、组分、比例)、出口、纤维壁面、单胞壁面等；
6)化学反应设置：包括反应类型(气相反应/表面反应)、反应方程式、反应速率、指前因子、活化能等；
7)加载计算平台：编写程序，首先将单胞内的空隙区域指定为初始孔隙率为1、流阻为0的多孔介质区域，在每一步迭代过程计算并更新每个网格单元的碳质量、孔隙率、粘性阻力系数和惯性阻力系数，网格单元中碳质量和孔隙率的计算关系式如下：
Mc＝Vcell*ε*ρcell*Yc (1)
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式中，Mc为网格单元内混合气体中碳质量，Vcell为网格单元的体积，ε为网格单元孔隙率，ρcell为网格单元的密度，Yc为网格单元内混合气中碳所占的质量分数，ρc为碳的密度。碳的质量首先会在纤维单丝外表面的第一层网格上固定沉积下来，随碳的持续流动第一层网格单元会被填满，通过其孔隙率到达0来判定，然后从第一层网格单元向外搜索临近网格，将临近网格内的碳质量继续固定沉积下来，以此类推在整个区域进行网格的循环遍历，从而实现碳在纤维表面沉积并向外堆积生长的孔隙演变过程。另外，在程序中通过输入某经验公式来指定网格单元的流动阻力(粘性阻力系数、惯性阻力系数)随其孔隙率变化的对应关系，随着碳的沉积网格单元孔隙率在减小而其流阻也在增大，当孔隙率为0时混合气体已无法再通过，从而实现工艺工程不可避免地封闭孔的形成。将编写的程序在求解器中的相应位置进行加载；
8)非稳态迭代计算：在CFD求解器中设置时间步长，进行瞬态求解计算，监控残差和相关变量，获得填充完成时间t1；
9)细化单胞重复模拟：在保持纤维束内单丝体积分数不变的前提下增加纤维束中纤维单丝数目减小单丝直径，构建更精细化的单胞模型后重复模拟，根据两次填充时间计算|t2-t1|/t2的值，若该值不小于1％，继续增加单丝根数重复模拟，以此类推，直到满足判定条件|tn-tn-1|/tn<1％停止继续模拟，对第n个计算的结果进行后处理；如图4(b)所示为平纹单胞优化模型三维结构，其中正视面纤维分布如图(a)所示，碳质量m＝30、40、50；
10)结果后处理：最终获得该预制体单胞的CVI填充时间以及填充度，可视化单胞内封闭孔的形成过程和微结构的演变过程，如图5所示。
Claims (11)
1.一种纤维预制体CVI致密化过程的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、获取纤维预制体参数：包括材料参数和结构参数，材料参数包括纤维材料种类和其各项热物性参数，结构参数包括纤维截面尺寸、经纬密、编织方式和纤维束内单丝的体积分数；
步骤2、构建单胞模型：根据织物周期性对称的特性，取其最小代表性单元，构建周期性对称的单胞模型；
步骤3、划分计算域网格：对单胞模型中的流体计算域和固体计算域进行网格划分；
步骤4、有限体积法对单胞模型离散化：基于单胞模型CVI致密化过程的控制方程：质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及组分浓度守恒方程，通过有限体积法离散控制方程；
步骤5、加载计算平台：在CFD求解器中加载程序单元，程序单元指定填充相在单胞模型的流体计算域和固体计算域网格单元中的质量转化和沉积方式，还原CVI过程预制体孔隙演变的过程；
步骤6、在CFD求解器中设置材料属性、化学反应和边界条件：材料属性为各项热物性参数以及混合气的组成，化学反应为CVI过程涉及的化学反应，包括反应类型、方程式、指前因子、活化能和反应速率，边界条件包括进口参数变量、出口参数变量、纤维壁面、单胞壁面；
步骤7、在CFD求解器中迭代求解计算：初始化单胞模型，设置时间步长，执行程序单元，进行非稳态迭代计算来求解离散的控制方程，监控残差曲线变化，计算收敛后获得单胞填充完成所需时间；
步骤8、在CFD求解器中优化单胞模型重复模拟预制体孔隙演变的过程，包括以下步骤：
步骤8-1：增加纤维束中纤维单丝数目，减小单丝直径，构建更精细化的单胞模型，同时计算单胞模型完成CVI复合过程所对应的填充时间；
步骤8-2：再重复步骤8-1，计算该次填充完成时间与上次填充完成时间的填充完成时间差值；
步骤8-3：如果填充完成时间差值小于设定阈值，得到最优单胞模型，执行步骤9，否则继续执行步骤8-1；
步骤9、在CFD求解器中获取仿真过程：根据最优单胞模型获得单胞填充完成时间和填充度，并根据最优单胞模型可视化单胞内封闭孔的形成过程和微结构的演变过程。
2.根据权利要求1所述的一种纤维预制体CVI致密化过程的仿真方法，其特征在于，所述步骤2构建周期性对称的单胞模型包括：构建多根单丝组成的纤维束简化实际织物纱束中成千上万的纤维单丝结构，且纤维束内纤维单丝所占体积分数与实际织物纱束内纤维单丝体积分数一致。
3.根据权利要求1所述的一种纤维预制体CVI致密化过程的仿真方法，其特征在于，所述步骤5中，所述程序单元还原CVI过程预制体孔隙演变的过程包括：
步骤5-1，首先将单胞模型内的空隙区域指定为初始孔隙率为1、粘性阻力系数和惯性阻力系数为0的多孔介质区域；
步骤5-2，碳质量首先在纤维单丝外表面的第一层网格上固定沉积下来，随着碳的持续流动第一层网格单元会被填满，孔隙率到达0，然后从第一层网格单元向外搜索周围网格单元；
步骤5-3，更新周围每个网格单元的碳质量、孔隙率、粘性阻力系数和惯性阻力系数，将周围每个网格单元循环迭代执行步骤5-2，直至整个区域网格的循环遍历；
步骤5-4，得到碳在纤维表面沉积并向外堆积生长的孔隙演变过程。
4.根据权利要求3所述的一种纤维预制体CVI致密化过程的仿真方法，其特征在于，所述步骤5-3中，更新周围每个网格单元的碳质量、孔隙率、粘性阻力系数和惯性阻力系数具体为：
网格单元的碳质量和孔隙率的计算关系式如下：
Mc＝Vcell*ε*ρcell*Yc (1)
ε＝1-Mc/(ρc*Vcell) (2)
式中，Mc为网格单元内混合气体中碳质量，Vcell为网格单元的体积，ε为网格单元孔隙率，ρcell为网格单元的密度，Yc为网格单元内混合气中碳所占的质量分数，ρc为碳的密度；
根据计算出的孔隙率通过厄根经验公式计算粘性阻力系数和惯性阻力系数。
5.根据权利要求1所述的一种纤维预制体CVI致密化过程的仿真方法，其特征在于，所述步骤8-2中填充完成时间差值计算公式为：|tn-tn-1|/tn；tn-1为上次即第n-1次填充完成时间，tn为第n次填充完成时间。
6.根据权利要求1所述的一种纤维预制体CVI致密化过程的仿真方法，其特征在于，所述步骤8-3中阈值为1％。
7.根据权利要求1所述的一种纤维预制体CVI致密化过程的仿真方法，其特征在于，所述步骤6中的进口参数变量和出口参数变量包括混合气的流速、温度、组分和比例。
8.根据权利要求1所述的一种纤维预制体CVI致密化过程的仿真方法，其特征在于，所述热物性参数包括密度、粘度、比热容和导热系数。
9.一种纤维预制体CVI致密化过程的仿真系统，其特征在于，包括纤维预制体参数模块、单胞模型构建模块、单胞模型网格划分模块、单胞模型离散模块和模型优化模块；
纤维预制体参数模块用于设置材料参数和结构参数；
单胞模型构建模块用于构建周期性对称的单胞模型；
单胞模型网格划分模块用于对单胞模型中的流体计算域和固体计算域进行网格划分；
单胞模型离散模块有限体积法对单胞模型离散化；
模型优化模块用于对离散化的单胞模型进行优化，还原CVI过程预制体孔隙演变的过程。
10.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至8中任一项所述方法的步骤。
11.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至8中任一项所述的方法的步骤。
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