CN114441590B - 一种针对梯度防热材料传热及力学特性的确定方法及系统 - Google Patents
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Abstract
一种针对梯度防热材料传热及力学特性的确定方法及系统，基于梯度化防热材料微结构特征的统计结果，建立传热及力学特性的分析模型，用有限元方法预测材料的等效热导率及等效弹性模量和泊松比。首先，对梯度防热材料的不同位置进行微结构观测，得到微结构的组元含量及分布规律，从而得到梯度材料沿梯度方向的微结构分布规律；然后，基于微结构组元的含量及分布规律，建立与实际梯度防热材料较为相符的有限元模型；再次，对所建模型的整体及微结构组元进行网格划分，在所建模型梯度方向上施加温度梯度边界条件或力边界条件和位移约束，侧面施加周期性边界条件；最后，求解得到梯度方向模型的等效热导率及等效弹性模量和泊松比。
Description
技术领域
本发明涉及一种针对梯度防热材料传热及力学特性的确定方法及系统，属于飞行器热防护技术领域。
背景技术
飞行器的热防护技术的发展经历了几个过程，最初为热沉式热防护，利用金属的热沉吸热来阻隔热量，但是随着气动加热的严重，已经不能满足要求。后来发展出烧蚀热防护方式，利用材料的蒸发、熔化、升华以及化学反应等来吸收热量，烧蚀热防护由于其高效的热防护效果在再入卫星、飞船等上得到了广泛的应用。烧蚀热防护会较为显著地改变飞行器气动外形，对于导弹等飞行器的控制等不利，并且随着飞行器飞行速度的增大，需要更高效的热防护方式，提出了非烧蚀及微烧蚀的要求。在这种需求下，即梯度防热材料应运而生。梯度防热材料采用组分连续过渡的方式，将表面的耐烧蚀层与背面的高效隔热层进行连续过渡，在保证防热效率以及材料力学性能的同时最大程度地减轻防热结构重量。
梯度防热材料的设计和加工，目前大多是从工艺角度进行不断尝试，针对不同的工艺生产出的梯度防热材料样品，通过试验的方法测试其防隔热性能及力学性能，这种探索是一种非常有效的方式，但是生产周期较长，成本较高，工艺探索以及材料性能测试过程中的不确定性较高，因此从仿真的角度对材料的防隔热性能及力学性能进行探索尤为重要。
当前针对均质材料的烧蚀及传热机理以及力学性能的研究较为成熟，运用宏观的热化学烧蚀理论，传热控制方程，表面的能量守恒及质量守恒方程，加载边界条件，求解出材料随时间变化的热响应机理，包括内部温度分布，烧蚀后退，炭化层厚度随时间的变化等，对材料力学性能研究主要通过宏观力学理论计算及测试方法。但是针对梯度防热材料的热响应机理的研究较少。当前的研究多是采用工艺探索与试验测试相结合的方式，缺乏对梯度防热材料传热及力学性能的准确预测。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种针对梯度防热材料传热及力学特性的确定方法及系统，解决了现有技术中无法对梯度防热材料的传热及力学特性进行精确预测的问题。
本发明的技术解决方案是：
第一方面，
一种针对梯度防热材料传热及力学特性的确定方法，包括以下步骤：
1)对梯度防热材料不同位置进行微结构扫描观测，获得不同位置对应的梯度防热材料的微结构图像；
2)根据步骤1)获得的微结构图像，对空心小球进行尺寸及分布统计分析，获得空心小球的尺寸范围及空心小球的分布规律；
3)根据空心小球的尺寸范围，确定控制体的尺寸；控制体用于模拟梯度防热材料；
4)在控制体内不同位置，根据空心小球的分布规律，生成与空心小球的分布规律对应的微结构组元，使用微结构组元模拟空心小球，获得有限元模型；
5)根据步骤4)建立的有限元模型，进行体网格的划分；
6)对步骤5)获得的进行体网格划分后的有限元模型，施加边界条件及约束条件，求解获得控制体的等效热导率、控制体的等效弹性模量和泊松比。
步骤1)所述进行微结构扫描观测，具体为：
11)首先对梯度防热材料进行切片，超声清洗、烘干处理，得到材料样品；切片方向垂直于内表面；
12)将材料样品放在喷金仪上进行喷金处理；
13)将喷金后的材料样品放在扫描电镜中进行观测，调整材料样品在镜头下的位置，得到材料微结构图像；
14)重复步骤13)多次，获得不同位置对应的梯度防热材料的微结构图像。
所述步骤2)获得空心小球的尺寸范围的方法，具体为：
根据步骤1)得到的微结构图像，利用软件或扫描电镜进行空心小球尺寸范围的统计，获得空心小球的尺寸范围。
所述步骤2)获得空心小球的分布规律的方法，具体为：
根据步骤1)得到的微结构图像中不同位置空心小球的数量，获得空心小球的分布规律。
控制体为立方体，立方体的边长大于空心小球直径的二十倍以上。
所述步骤4)生成与空心小球的分布规律对应的微结构组元的方法，具体为：
根据统计结果，将控制体划分为3个到5个区域，根据空心小球的分布规律，在每个区域内，生成多个微结构组元，微结构组元的位置随机分布，每个区域内微结构组元的体积含量与空心小球的分布规律保持一致。
任意两微结构组元间的距离，大于两微结构组元的半径之和。
微结构组元的网格尺寸等于d/50～d/30倍的空心小球直径。
步骤6)中求解获得控制体的等效热导率的方法，具体为：
61)沿控制体内表面至外表面的传热方向施加温度梯度边界条件，在其余四个侧面上施加周期性边界条件；
71)求解分析，获得控制体的等效热导率。
所述步骤61)施加温度梯度边界条件的方法，具体为：
梯度防热材料沿上下表面方向为梯度过渡分布，在此方向的上下两表面的网格节点上施加不同的温度边界条件。
所述步骤61)施加周期性边界条件的方法，具体为：
在其余四个侧面上施加周期性边界条件，使两对面对应位置网格节点的温度一致。
所述步骤71)求解及后处理，具体为：
进行求解得到沿传热方向的热流量，运用傅立叶定律算得控制体的等效热导率。
步骤6)中求解获得控制体的等效弹性模量和泊松比的方法，具体为：
81)在控制体内表面施加位移约束，外表面施加力边界条件，在其余四个侧面上施加周期性边界条件；
91)求解分析，获得控制体的等效弹性模量和泊松比。
所述步骤81)施加位移约束和力边界条件的方法，具体为：
梯度防热材料沿上下表面方向为梯度过渡分布，在此方向的下表面施加位移约束，上表面施加力边界条件。
所述步骤81)施加周期性边界条件的方法，具体为：
在其余四个侧面上施加周期性边界条件，使两对面对应位置网格节点的力、位移等一致。
所述步骤91)求解及后处理，具体为：
进行求解，得到沿力方向以及垂直于力的方向的位移，从而可计算得到沿力方向及垂直于力的方向的应变；运用公式Ey＝(Fy/S)/εy,μyx＝-εx/εy即可得到沿力方向的等效弹性模量及泊松比。
第二方面，
一种针对梯度防热材料传热及力学特性的分析系统，包括：样品制备及观测模块、微结构统计模块、模型生成模块、网格划分模块、加载边界条件模块和求解及后处理模块；
样品制备及观测模块：对梯度防热材料不同位置进行微结构扫描观测，获得不同位置对应的梯度防热材料的微结构图像；
微结构统计模块：根据微结构图像对空心小球进行尺寸及分布统计分析，获得空心小球的尺寸范围及空心小球的分布规律；
模型生成模块：根据空心小球的尺寸范围，确定控制体的尺寸；控制体用于模拟梯度防热材料；在控制体内不同位置，根据空心小球的分布规律，生成与空心小球的分布规律对应的微结构组元，使用微结构组元模拟空心小球，获得有限元模型；
网格划分模块：对有限元模型，进行体网格的划分；微结构组元的网格尺寸等于d/50～d/30倍的空心小球直径；
加载边界条件模块：沿控制体内表面至外表面的传热方向施加温度梯度边界条件，或力边界条件和位移约束，在其余四个侧面上施加周期性边界条件；
求解及后处理模块：进行求解得到沿梯度方向的热流量，运用傅立叶定律算得控制体的等效热导率，或求解得到沿梯度方向及垂直梯度方向的应变，从而计算得到沿梯度方向的等效弹性模量和泊松比。
本发明与现有技术相比的优点：
(1)当前针对梯度防热材料传热及力学特性的计算方法，要么是采用等效成均质材料，采用均质材料的参数进行传热及力学特性的计算，要么采用材料工艺探索及宏观传热性能及力学试验测试的方法，根据实验结果调整工艺，再进行生产和测试。这两种方法前者是不能对材料传热及力学性能进行准确估算，后者从工艺和实验角度，时间和成本都较高，无法便捷高效地对梯度防热材料的传热及力学特性进行预测。基于于此，本发明将细观微结构观测和统计分析与有限元建模相结合，对梯度防热材料的传热及力学特性进行预测。
(2)相对于已有的针对梯度防热材料传热及力学特性的确定方法，本发明成本低，计算快，准确性高，通用性好，具备分析不同梯度防热材料传热及力学特性的能力。
附图说明：
图1为本发明方法流程图；
图2为梯度防热材料细观结构示意图；
图3为基于统计结果的模型建模；
图4为网格划分示意图。
具体实施方式
根据梯度防热材料的应用需求和现状，针对当前梯度防热材料传热及力学特性确定方法的不足之处，结合梯度防热材料细观微结构特征，本发明提出了一种针对梯度防热材料传热及力学特性的确定方法。本发明分析对象为梯度防热材料，其内表面固定安装在飞行器蒙皮上，外表面和大气接触，内表面与之间外表面为树脂材料，树脂材料中设置有多个大小不一的空心小球，由内表面至外表面空心小球的体积含量依次减小。
首先，针对给定的梯度防热材料，对不同位置的材料进行微结构检测，根据检测结果进行微结构尺寸及分布的统计分析；然后，根据微结构观测及统计结果，建立传热特性分析的有限元模型；最后，对所建模型加载边界条件进行求解，对所得结果进行处理，得到梯度防热材料传热及力学特性的分析结果。同时，可以对细观结构参数的影响规律进行研究，如改变不同微结构组元的含量，尺寸分布及位置分布等，得到微结构参数对传热及力学特性的影响规律，从而对材料工艺的调配提供参考。
实施例
如图1所示，具体步骤为：
(1)梯度防热材料微结构检测样品的制备，具体实现过程如下：
(1.1)对于给定的梯度防热材料样品，沿材料组分梯度变化方向切取材料样品，使样品的观测面内，材料组分具有梯度的过渡变化形式。
(1.2)将切取的材料样品放在酒精中，再放入超声波清洗机中进行清洗，除去微结构中的残渣。
(1.3)将清洗后的材料样品放入烘干箱中，设定70℃进行保温12小时。
(1.4)将烘干后的材料样品放在喷金仪中，设备喷金时间，一般为140s，后取出。
(2)材料样品的微结构检测及微结构尺寸及分布统计分析。
(2.1)按照扫描电镜的操作步骤将制备出的样品放入扫描电镜中，设置参数，进行样品的微结构观测，得到微结构的分布图像。
(2.2)改变微结构检测区域，得到梯度过渡方向的微结构分布图像，如图2所示，为梯度防热材料的细观结构示意图。
(2.3)根据微结构图像，得到微结构组元尺寸的统计数据，比如微球或颗粒的直径，纤维的长度及纤维直径，孔隙的含量等。这里，可将观测区域分为几个部分，如分为三个部分，首先，统计出总体的微球尺寸分布规律及含量，其次，分别统计出三个部分中每个部分的微球的尺寸分布规律及含量。
(3)根据观测结果的尺寸范围，确定所建模型的控制体的尺寸，选取立方体控制体，立方体的边长为最大微球直径的20倍即可。
(4)根据微结构组元的尺寸统计数据，在将控制体分成若干的长方体区域，理论上该区域越多越接近真实的材料微结构分布，这里以三个区域为例进行建模。
(4.1)在每个区域内，根据统计结果，得到该区域内的微结构组元的分布规律，以及微结构组元的含量。在该区域内进行微结构组元的位置及尺寸在一定范围内的随机分布。
(4.2)每生成一个微结构组元，记录其体积，当微结构组元的体积分数达到该区域的体积分数时，停止生成该组元。每种组元生成时，要与先生成的所有微结构组元以及边界进行位置关系判断，如果有重叠，则重新生成，如此循环，直到生成的微结构组元达到该区域的微结构组元的体积分数则停止，如图3所示为基于统计结果的模型。
(4.3)对模型进行布尔运算，假设相邻的材料在传热及力学方面完美接触，无热阻存在。
(5)对基体及每种微结构组元，给定材料参数，此处要计算等效热导率及等效弹性模量和泊松比，故材料参数主要包括组元材料的热导率，弹性模量和泊松比。
(6)针对建立的模型，对微结构组元及模型赋网格尺寸，进行体网格的划分。
(6.1)对各微结构组元及模型边界进行网格点的布置。
(6.2)先生成立方体三个面的面网格，然后运用网格复制方法生成其三个对面的面网格。
(6.3)自动生成整个模型的体网格，如图4所示为模型的网格图。
(7)在传热方向的上下表面的节点上施加温度边界条件，在其余的四个面上施加周期性边界条件，进行求解。
(8)求解后得到沿传热方向的热量Q，然后根据模型的尺寸以及傅立叶定律，计算得到模型的等效热导率。如在y方向施加温度梯度边界并且其他两个方向温度梯度为/>求得通过y方向的热流量Q，则有：
从而可得到材料沿y方向的等效热导率keq。
(9)在下表面施加位移约束，在上表面施加力边界条件，在其余的四个面上施加周期性边界条件，进行求解。
(10)求解后得到沿力方向以及垂直于力的方向的位移uy及ux，从而可计算得到沿力方向及垂直于力的方向的应变εy＝uy/Lx，εx＝ux/Lx。运用公式Ey＝(Fy/S)/εy,μyx＝-εx/εy即可得到沿力方向的弹性模量及泊松比。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (4)
1.一种针对梯度防热材料传热及力学特性的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)对梯度防热材料不同位置进行微结构扫描观测，获得不同位置对应的梯度防热材料的微结构图像；
2)根据步骤1)获得的微结构图像，对空心小球进行尺寸及分布统计分析，获得空心小球的尺寸范围及空心小球的分布规律；
3)根据空心小球的尺寸范围，确定控制体的尺寸；控制体用于模拟梯度防热材料；
4)在控制体内不同位置，根据空心小球的分布规律，生成与空心小球的分布规律对应的微结构组元，使用微结构组元模拟空心小球，获得有限元模型；
5)根据步骤4)建立的有限元模型，进行体网格的划分；
6)对步骤5)获得的进行体网格划分后的有限元模型，施加边界条件及约束条件，求解获得控制体的等效热导率、控制体的等效弹性模量和泊松比；
所述步骤2)获得空心小球的尺寸范围的方法，具体为：
根据步骤1)得到的微结构图像，利用软件或扫描电镜进行空心小球尺寸范围的统计，获得空心小球的尺寸范围；
所述步骤2)获得空心小球的分布规律的方法，具体为：
根据步骤1)得到的微结构图像中不同位置空心小球的数量，获得空心小球的分布规律；
控制体为立方体，立方体的边长大于空心小球直径的二十倍以上；
任意两微结构组元间的距离，大于两微结构组元的半径之和；
微结构组元的网格尺寸等于1/50～1/30倍的空心小球直径；
步骤6)中求解获得控制体的等效热导率的方法，具体为：
61)沿控制体内表面至外表面的传热方向施加温度梯度边界条件，在其余四个侧面上施加周期性边界条件；
71)求解分析，获得控制体的等效热导率；
所述步骤61)施加温度梯度边界条件的方法，具体为：
梯度防热材料沿上下表面方向为梯度过渡分布，在此方向的上下两表面的网格节点上施加不同的温度边界条件；
所述步骤61)施加周期性边界条件的方法，具体为：
在其余四个侧面上施加周期性边界条件，使两对面对应位置网格节点的温度一致；
所述步骤71)求解及后处理，具体为：
进行求解得到沿传热方向的热流量，运用傅立叶定律算得控制体的等效热导率；
步骤6)中求解获得控制体的等效弹性模量和泊松比的方法，具体为：
81)在控制体内表面施加位移约束，外表面施加力边界条件，在其余四个侧面上施加周期性边界条件；
91)求解分析，获得控制体的等效弹性模量和泊松比；
所述步骤81)施加位移约束和力边界条件的方法，具体为：
梯度防热材料沿上下表面方向为梯度过渡分布，在此方向的下表面施加位移约束，上表面施加力边界条件；
所述步骤81)施加周期性边界条件的方法，具体为：
在其余四个侧面上施加周期性边界条件，使两对面对应位置网格节点的力、位移一致；
所述步骤91)求解及后处理，具体为：
进行求解，得到沿力方向以及垂直于力的方向的位移，从而可计算得到沿力方向及垂直于力的方向的应变；运用公式Ey＝(Fy/S)/εy,μyx＝-εx/εy即可得到沿力方向的等效弹性模量及泊松比；
其中，Ey为沿力方向的等效弹性模量，εx为垂直于力方向的应变，εy为沿力方向的应变，μyx为沿力方向的泊松比。
2.根据权利要求1所述的一种针对梯度防热材料传热及力学特性的确定方法，其特征在于，步骤1)所述进行微结构扫描观测，具体为：
11)首先对梯度防热材料进行切片，超声清洗、烘干处理，得到材料样品；切片方向垂直于内表面；
12)将材料样品放在喷金仪上进行喷金处理；
13)将喷金后的材料样品放在扫描电镜中进行观测，调整材料样品在镜头下的位置，得到材料微结构图像；
14)重复步骤13)多次，获得不同位置对应的梯度防热材料的微结构图像。
3.根据权利要求1～2任意一项所述的一种针对梯度防热材料传热及力学特性的确定方法，其特征在于：所述步骤4)生成与空心小球的分布规律对应的微结构组元的方法，具体为：
根据统计结果，将控制体划分为3个到5个区域，根据空心小球的分布规律，在每个区域内，生成多个微结构组元，微结构组元的位置随机分布，每个区域内微结构组元的体积含量与空心小球的分布规律保持一致。
4.一种针对梯度防热材料传热及力学特性的分析系统，用于实施如权利要求1所述的一种针对梯度防热材料传热及力学特性的确定方法，其特征在于，分析系统包括：样品制备及观测模块、微结构统计模块、模型生成模块、网格划分模块、加载边界条件模块和求解及后处理模块；
样品制备及观测模块：对梯度防热材料不同位置进行微结构扫描观测，获得不同位置对应的梯度防热材料的微结构图像；
微结构统计模块：根据微结构图像对空心小球进行尺寸及分布统计分析，获得空心小球的尺寸范围及空心小球的分布规律；
模型生成模块：根据空心小球的尺寸范围，确定控制体的尺寸；控制体用于模拟梯度防热材料；在控制体内不同位置，根据空心小球的分布规律，生成与空心小球的分布规律对应的微结构组元，使用微结构组元模拟空心小球，获得有限元模型；
网格划分模块：对有限元模型，进行体网格的划分；微结构组元的网格尺寸等于1/50～1/30倍的空心小球直径；
加载边界条件模块：沿控制体内表面至外表面的传热方向施加温度梯度边界条件，或力边界条件和位移约束，在其余四个侧面上施加周期性边界条件；
求解及后处理模块：进行求解得到沿梯度方向的热流量，运用傅立叶定律算得控制体的等效热导率，或求解得到沿梯度方向及垂直梯度方向的应变，从而计算得到沿梯度方向的等效弹性模量和泊松比。
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