CN115620841A - 一种含随机渐变孔隙缺陷的三维编织陶瓷基复合材料损伤预测方法 - Google Patents

一种含随机渐变孔隙缺陷的三维编织陶瓷基复合材料损伤预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含随机渐变孔隙缺陷的三维编织陶瓷基复合材料损伤预测方法，无论在工程应用还是科学研究中，三维编织陶瓷基复合材料都是航空航天高温热结构材料的研究前沿方向，而三维编织陶瓷基复合材料的力学性能取决于其细观结构、孔隙率含量。本发明的方法考虑了陶瓷基复合材料成型过程中产生孔隙缺陷的状态特征，提取材料的细观形貌状态信息，进行基于孔隙面积，直径尺寸，位置的聚类分析，利用有限元分析对材料进行细观单胞建模，将损伤分析理论通过用户定义子程序的方法嵌入有限元模型中迭代计算，从而实现三维编织陶瓷基复合材料的损伤高效预测计算。

Description

一种含随机渐变孔隙缺陷的三维编织陶瓷基复合材料损伤预 测方法
技术领域
本发明属于编织复合材料数据预测仿真分析技术领域，涉及一种含随机渐变孔隙缺陷的三维编织陶瓷基复合材料损伤预测方法。
背景技术
三维编织结构不需要经过缝合与机械加工，可以直接一体化编织成任意复杂形状的预制体构件，具有很强的可设计性。此外，三维编织物空间互锁的网状结构也使得制品从根本上弥补了传统的层合复合材料的一些力学性能不足，如层间剪切强度低，损伤容限低等。基于三维编织陶瓷基复合材料的航天发动机热端部件的最高工作温度相较于常规复合材料可以提升约300-500℃，可使热端部件服役于更高温的环境以满足发动机比冲提高的“热”需求；基于三维编织陶瓷基复合材料的航天发动机热端部件重量减轻50％-70％的前提下，相较于常规复合材料可以有效提高抵抗损伤和裂纹扩展性能，以满足发动机比冲提高的工作性能“力”需求。三维编织陶瓷基复合材料作为新型的耐高温结构复合材料，在高推重比航空发动机、液体和固体火箭发动机、空天飞行器热防护系统、核反应堆等领域具有广阔的应用前景。
采用三维行列式编织机，基于四步法编织三维预制体是目前最为常用的一种编织方式。在每一个编织循环中，底盘上的携纱器都会移动四步，并且每一步的距离都是相等的，称之为四步法1×1编织工艺。先驱体浸渍裂解法(PIP)是以纤维预制件为骨架，采用真空或加压使先驱体渗入预制件后交联固化，然后高温裂解使先驱体聚合物转化为陶瓷基体，经多次浸渍-交联-裂解的致密化过程，得到超高温陶瓷基复合材料。采用PIP工艺在复合材料的基体中引入陶瓷相。工艺过程如下：将预制体真空浸渍一定浓度的先驱体溶液，然后进行浸渍，完成后将样品从浸渍液中取出至烘箱中烘制。烘干后样品在石墨化炉中热处理，在保护气氛下保温一定时间，随后随炉冷却至室温，最终经过多次浸渍裂解将样品增密到所需密度的复合材料。但在浸渍裂解的过程中难免出现大量的孔隙缺陷、孔隙分布不均匀等问题，导致三维编织陶瓷基复合材料内部组分结构复杂，且在成型后孔隙特征提取困难。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种含随机渐变孔隙缺陷的三维编织陶瓷基复合材料损伤预测方法，以解决现有技术中三维编织陶瓷基复合材料细观缺陷参数难以获取；三维编织陶瓷基复合材料孔隙分布不均匀呈现中间多两边少渐变梯度分布，针对材料实际缺陷有限元分析研究困难，以及整体计算效率很低，严重受限于网格单元的尺寸和形状的问题。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种含随机渐变孔隙缺陷的三维编织陶瓷基复合材料损伤预测方法，包括以下步骤：
步骤1，通过断面扫描，获得复合材料内部的孔隙缺陷；
步骤2，通过聚类分析获得复合材料内部的孔隙参数、缺陷分布和孔隙率；
步骤3，建立有限元细观模型，将孔隙参数、缺陷分布和孔隙率输入至有限元细观模型中；
步骤4，通过蒙特卡洛算法针对有限元细观模型随机生成孔隙单元，获得有孔隙的有限元模型；
步骤5，对有孔隙的有限元模型，赋予材料属性并施加周期性边界条件和载荷，获得有孔隙且有边界条件和载荷的有限元模型；
步骤6，采用损伤分析方法对有孔隙且有边界条件和载荷的有限元模型进行预测，预测得到有限元模型在各种应力状况下的损伤及屈服特性；
步骤7，根据损伤及屈服特性的计算结果获得复合材料的失效情况。
本发明的进一步改进在于：
优选的，步骤1中，通过x射线对断面进行扫描。
优选的，步骤1中，扫描前将复合材料切割为四面体。
优选的，步骤2的具体过程为：
2.1随机选择n个孔隙质心作为基础质心；
2.2计算剩余的每一个孔隙和最近基础之心之间的欧式距离，将每一个孔隙质心相关欧式距离组成所述孔隙质心的数组中，计算出各个数组的新质心；
2.3计算所有的孔隙到与各自距离最近新质心之间的欧式距离，将与每一个新质心相关的距离划分至新质心的数组中；
2.4重复步骤2.2和步骤2.3获得复合材料内部的孔隙参数及缺陷分布，直至质心不再变化或者达到最大的迭代次数，将最终获得数组的质心作为复合材料的缺陷坐标。
优选的，所述欧式距离的计算公式为：
Figure BDA0003900523930000031
其中x1,y1,z1分别为质心的空间直角坐标，x2,y2,z2分别为孔隙的空间直角坐标。
优选的，步骤5中，所述材料属性为三维四向陶瓷基复合材料，编制基体为C/SiC，编织纱线为T800-12K编织纱线。
优选的，步骤3中，划分孔隙的预定投放区域时，将纤维束与基体分别进行划分。
优选的，步骤6中，基体的损伤分析方法为Christensen损伤准则。
优选的，步骤6中，纤维束的损伤分析方法为Hashin准则，强度参数采用Chamis细观强度模型。
优选的，步骤7中，所述失效情况包括复合材料三个方向的损伤程度、纤维脱粘和基体的剪切破坏。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种含随机渐变孔隙缺陷的三维编织陶瓷基复合材料损伤预测方法，无论在工程应用还是科学研究中，三维编织陶瓷基复合材料都是航空航天高温热结构材料的研究前沿方向，而三维编织陶瓷基复合材料的力学性能取决于其细观结构、孔隙率含量。本发明的方法考虑了陶瓷基复合材料成型过程中产生孔隙缺陷的状态特征，提取材料的细观形貌状态信息，进行基于孔隙面积，直径尺寸，位置的聚类分析，利用有限元分析对材料进行细观单胞建模，将损伤分析理论通过用户定义子程序的方法嵌入有限元模型中迭代计算，从而实现三维编织陶瓷基复合材料的损伤高效预测计算。
进一步的，本发明通过X射线扫描数据通过预先滤波以及调整灰度阈值，将孔隙与其他组分区分开，并可以识别大小不一的孔隙，分析得到了三维编织陶瓷基复合材料细观孔隙缺陷参数。
进一步的，本发明将材料内部孔隙进行聚类分析，得到材料内部孔隙参数及材料的缺陷分布统计情况，并针对缺陷聚类统计数据依据孔隙密度，分别划分纤维基体的孔隙密度区。
进一步的，本发明针对已划分的特定密度区定量精准投放随机孔隙，生成含随机渐变孔隙缺陷的三维编织陶瓷基复合材料有限元模型，与编写的与材料性能高度匹配的子程序模拟预测其损伤失效模式，精准快速的得到其力学性能，兼顾模型的真实性与计算效率。
附图说明
图1为本发明的三维编织单胞纱线的空间结构；
图2为本发明的X射线扫描数据，经过滤波处理得到的孔隙空间分布；
图3为本发明的三维编织陶瓷基复合材料有限元RVE模型，其中(a)为复合材料的有限元模型，(b)为纤维的有限元模型，(c)为基体的有限元模型；
图4为本发明的蒙特卡洛随机投放孔隙分布；
图5为本发明实施例施加的周期性边界条件和载荷条件，其中(a)为周期性边界条件的施加情况，(b)为载荷施加情况；
图6为本发明有限元损伤失效过程；
图7为本发明中数值结果与试验应力应变曲线对比。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细描述：
本发明公开了一种含随机渐变孔隙缺陷的三维编织陶瓷基复合材料损伤预测方法，包括以下步骤：
步骤(1)：将气相沉积得到的三维编织陶瓷基复合材料进行断面扫描，所述断面扫描方式为x射线扫描，得到材料细观内部形貌，调整观测阈值以消除噪声干扰，使得材料内部孔隙缺陷更加清楚，更好的区分缺陷和基体。观测阈值包括测量的噪声值、灰度值和图像的对比度，优选的，进行切割后，进行端面扫描，对三维编制陶瓷基复合材料切割为一个一个四面体，方便后续步骤的处理。
三维编制陶瓷基复合材料组分为陶瓷基体，陶瓷基体由纤维编织后的预制体(只有碳纤维)浸渍在陶瓷后，裂解后形成，其中含有孔隙缺陷，孔隙包括纤维编制的缺陷和浸渍后固化的陶瓷形成的孔隙缺陷。将x射线投射数据通过预先数据滤波以及调整灰度阈值，将孔隙与其他组分区分开，并可以识别大小不一的孔隙，得到孔隙分布形态。
步骤2，将材料内部孔隙进行聚类分析，得到材料内部孔隙参数及材料的缺陷分布情况；
步骤2.1，随机选择n个孔隙质心作为基础质心，每个基础质心代表孔隙位置与尺寸分布；
步骤2.2，对剩余的每个孔隙进行测量，孔隙测量值包括孔隙的位置、尺寸和大小；计算剩余孔隙的质心到每一个最接近基础质心的欧式距离，并将其归入到相互间距离最小的质心所在的数组中，计算生成各个数组的新质心。
计算孔隙质心位置所选质心的欧式距离为三维空间的计算方法：
Figure BDA0003900523930000061
其中x1,y1,z1分别为质心的空间直角坐标，x2,y2,z2分别为孔隙的空间直角坐标。
步骤2.3，在所有孔隙点都分组完毕后，根据划分情况重新计算各个数组的质心所在位置，获得n个数组；每一个数组由距离该数组之前质心距离最近的孔隙组成；
步骤2.4，重复步骤2.2和步骤2.3，计算所有的孔隙到新的质心距离最近的距离，对所有孔隙重新进行划分；
步骤2.5，重复步骤,2.2和步骤2.3，直到质心不发生变化或者达到规定的最大迭代次数，得到材料内部孔隙参数及材料的缺陷分布情况，采用聚类分析得到数组集的质心作为材料的缺陷坐标。该孔隙参数包括，孔隙聚类后的最终质心即孔隙大小和位置
步骤3，根据三维编织复合材料的结构特点和尺寸特征建立材料的有限元细观模型，按照步骤2.5获得的孔隙参数及材料的孔隙缺陷分布情况，在有限元细观模型中，建立投放区域，该投放区域为上述的孔隙区域；材料的有限元细观模型包含八根纤维束，有4种空间取向，划分孔隙投放区域时将纤维束与基体分别进行划分。
步骤(4)：利用蒙特卡洛算法随机生成孔隙单元，将设定的孔隙率投入预先划定的孔隙区域；将聚类分析得到的数组集的孔隙率作为投放区域设定的孔隙率。
步骤(5)：进行材料属性的赋予并施加周期性边界条件和载荷；编织材料为气相沉积工艺得到三维四向陶瓷基复合材料，编织基体为C/SiC，编织纱线采用T800-12K编织纱线。
步骤(6)：将损伤分析理论通过用户定义子程序的方法嵌入有限元模型中迭代计算；基体的损伤分析方法采用Christensen损伤准则，该准则能很好地预测各向同性材料在各种应力状态下的损伤以及屈服特性；纤维束损伤准则采用Hashin准则，强度参数采用Chamis细观强度模型。
步骤(7)：根据有限元模拟软件计算结果预测出材料的失效情况，该失效情况包括纤维以及基体三个方向的损伤程度、纤维脱粘、基体的剪切破坏等。
实施例
本发明提出一种含随机渐变孔隙缺陷的三维编织陶瓷基复合材料损伤预测方法，利用方法思路仿真，包括以下步骤：
(1)将气相沉积得到的三维四向编织陶瓷基复合材料进行切割处理，进行断层，得到材料细观内部形貌，调整观测阈值，得到材料内部孔隙缺陷；如图1所示。
(2)将材料内部孔隙进行聚类分析，得到如图2所示的材料内部孔隙参数及材料的缺陷分布情况；经过扫描分析得到材料的总体孔隙率为2％，孔隙数目为8850个，孔隙体积范围在0.0000089mm3-0.3264498mm3。
(2.1)在孔隙区间随机选择n个孔隙质心，每个质心代表孔隙位置与尺寸分布；
(2.2)对剩余的每个孔隙测量值，计算它们到所选质心的距离，并将其归入到相互间距离最小的质心所在的数组。计算生成各个新数组的质心；
(2.3)在所有孔隙点都分组完毕后，根据划分情况重新计算各个数组的质心所在位置，然后迭代计算各个样本点到各数组质心的距离，对所有样本点重新进行划分；
(2.4)重复(2.2)和(2.3)，直到质心不发生变化或者达到规定的最大迭代次数，得到材料内部孔隙参数及材料的缺陷分布情况；
(3)根据三维编织复合材料的结构特点和尺寸特征建立材料的有限元细观模型，几何尺寸为1.57mm×1.57mm×2.84mm；纤维束的直径为椭圆形，将复合材料按照孔隙分布划分孔隙预定投放区域，如图3；
(4)对模型划分周期性网格，利用蒙特卡洛算法随机生成孔隙单元，将规定的孔隙率投入预先划定的孔隙区域，孔隙大小为网格尺寸的倍数且与统计值一致，如图4；
(5)进行材料属性的赋予并施加周期性边界条件，施加周期性条件模拟有限元细观模型在实际宏观材料中的边界条件，从而大大减小有限元仿真计算效率，在仿真方法中体现为有限元细观模型的立方体顶点和有限元模型边界上结点之间的位移耦合关系；
(6)施加拉伸载荷模拟三维编织陶瓷基复合材料受载情况，如图5；
(7)损伤分析理论通过用户定义子程序的方法嵌入有限元模型中迭代计算，基体的损伤分析方法采用Christensen损伤准则，该准则能很好地预测各向同性材料在各种应力状态下的损伤以及屈服特性；纤维束损伤准则采用Hashin准则，强度参数采用Chamis细观强度模型；
(8)根据有限元模拟软件计算结果预测出材料的失效情况，计算材料损伤情况，分别导出纤维的损伤云图以及基体的损伤云图，如图6。与拉伸试验数值对比，结果得到模拟所得结果与试验所得应力应变曲线的整体上吻合较好，如图7，说明基于此方法建立的有限元模型能够有效地预测编织陶瓷基复合材料的力学性能与损伤情况。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种含随机渐变孔隙缺陷的三维编织陶瓷基复合材料损伤预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，通过断面扫描，获得复合材料内部的孔隙缺陷；
步骤2，通过聚类分析获得复合材料内部的孔隙参数、缺陷分布和孔隙率；
步骤3，建立有限元细观模型，将孔隙参数、缺陷分布和孔隙率输入至有限元细观模型中；
步骤4，通过蒙特卡洛算法针对有限元细观模型随机生成孔隙单元，获得有孔隙的有限元模型；
步骤5，对有孔隙的有限元模型，赋予材料属性并施加周期性边界条件和载荷，获得有孔隙且有边界条件和载荷的有限元模型；
步骤6，采用损伤分析方法对有孔隙且有边界条件和载荷的有限元模型进行预测，预测得到有限元模型在各种应力状况下的损伤及屈服特性；
步骤7，根据损伤及屈服特性的计算结果获得复合材料的失效情况。
2.根据权利要求1所述的一种含随机渐变孔隙缺陷的三维编织陶瓷基复合材料损伤预测方法，其特征在于，步骤1中，通过x射线对断面进行扫描。
3.根据权利要求1所述的一种含随机渐变孔隙缺陷的三维编织陶瓷基复合材料损伤预测方法，其特征在于，步骤1中，扫描前将复合材料切割为四面体。
4.根据权利要求1所述的一种含随机渐变孔隙缺陷的三维编织陶瓷基复合材料损伤预测方法，其特征在于，步骤2的具体过程为：
2.1随机选择n个孔隙质心作为基础质心；
2.2计算剩余的每一个孔隙和最近基础之心之间的欧式距离，将每一个孔隙质心相关欧式距离组成所述孔隙质心的数组中，计算出各个数组的新质心；
2.3计算所有的孔隙到与各自距离最近新质心之间的欧式距离，将与每一个新质心相关的距离划分至新质心的数组中；
2.4重复步骤2.2和步骤2.3获得复合材料内部的孔隙参数及缺陷分布，直至质心不再变化或者达到最大的迭代次数，将最终获得数组的质心作为复合材料的缺陷坐标。
5.根据权利要求4所述的一种含随机渐变孔隙缺陷的三维编织陶瓷基复合材料损伤预测方法，其特征在于，所述欧式距离的计算公式为：
Figure FDA0003900523920000021
其中x1,y1,z1分别为质心的空间直角坐标，x2,y2,z2分别为孔隙的空间直角坐标。
6.根据权利要求1所述的一种含随机渐变孔隙缺陷的三维编织陶瓷基复合材料损伤预测方法，其特征在于，步骤5中，所述材料属性为三维四向陶瓷基复合材料，编制基体为C/SiC，编织纱线为T800-12K编织纱线。
7.根据权利要求1所述的一种含随机渐变孔隙缺陷的三维编织陶瓷基复合材料损伤预测方法，其特征在于，步骤3中，划分孔隙的预定投放区域时，将纤维束与基体分别进行划分。
8.根据权利要求6所述的一种含随机渐变孔隙缺陷的三维编织陶瓷基复合材料损伤预测方法，其特征在于，步骤6中，基体的损伤分析方法为Christensen损伤准则。
9.根据权利要求6所述的一种含随机渐变孔隙缺陷的三维编织陶瓷基复合材料损伤预测方法，其特征在于，步骤6中，纤维束的损伤分析方法为Hashin准则，强度参数采用Chamis细观强度模型。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的含随机渐变孔隙缺陷的三维编织陶瓷基复合材料损伤预测方法，其特征在于，步骤7中，所述失效情况包括复合材料三个方向的损伤程度、纤维脱粘和基体的剪切破坏。
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