本發(fā)明屬于復(fù)合材料制備領(lǐng)域，具體的說是一種可控微結(jié)構(gòu)的編織復(fù)合材料物性參數(shù)設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

增強碳化硅陶瓷基復(fù)合材料具有高強度、高硬度、耐高溫、低密度等一系列優(yōu)異性能，已成為航空航天領(lǐng)域極具發(fā)展前景的新一代高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)材料。編織碳纖維增強碳化硅復(fù)合材料因其優(yōu)異的高溫性能被大量應(yīng)用于耐熱部件，如大型運載火箭擴張段、各類導(dǎo)彈發(fā)動機部件、航天飛機的頭部和機翼前緣等，這不僅要求編織復(fù)合材料承受很高的載荷，而且還要承受很高的溫度。同時，對飛行器而言，“重量就是生命”，事關(guān)其經(jīng)濟(jì)性、機動性、小型化和隱身等。因此，編織復(fù)合材料設(shè)計中，如何快速、有效地兼顧材料熱物性參數(shù)的定向可設(shè)計需求和“輕量化”追求，優(yōu)化改進(jìn)材料的結(jié)構(gòu)屬性，突破復(fù)合材料重量和體積約束，已成為各航空航天大國新一代飛行器研制過程中急需解決的關(guān)鍵問題之一。

基于微結(jié)構(gòu)優(yōu)化的熱物性設(shè)計是實現(xiàn)編織復(fù)合材料按需設(shè)計的一條新途徑。然而，完全通過參數(shù)分析或?qū)嶒灧绞皆O(shè)計編織復(fù)合材料的物性參數(shù)是非常困難的；而基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化的微結(jié)構(gòu)設(shè)計，盡管在微結(jié)構(gòu)材料與結(jié)構(gòu)的空間排列等方面有獨特優(yōu)勢，但會改變現(xiàn)有編織復(fù)合材料的制造加工工藝，一定程度上會增加設(shè)計與加工的成本。顯然，有必要發(fā)展新型的微結(jié)構(gòu)可控設(shè)計方法，在不改變現(xiàn)有編織復(fù)合材料的制造加工工藝的基礎(chǔ)上，以較低的設(shè)計成本、較短的設(shè)計周期和最小的質(zhì)量獲得適合具體材料與結(jié)構(gòu)工作需要的物性參數(shù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種基于可控微結(jié)構(gòu)的編織復(fù)合材料物性參數(shù)設(shè)計方法，可快速、有效地兼顧材料物性參數(shù)的定向可設(shè)計需求和“輕量化”追求。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：基于可控微結(jié)構(gòu)的編織復(fù)合材料物性參數(shù)設(shè)計方法，包括以下步驟：

步驟一：根據(jù)纖維束和編織結(jié)構(gòu)的特征，采用通用單胞思想，建立了介/細(xì)觀傳熱/力學(xué)分析的有限元模型，中，代表性胞元的選取有多種方式，但通過胞體模板擴展，能夠?qū)⒋硇园臒嵛镄耘c力學(xué)性能應(yīng)用到宏觀材料的物性預(yù)測。

步驟二：基于網(wǎng)格變形技術(shù)，建立單胞可變形區(qū)域與變形控制點，其中控制點沿預(yù)定方向的位移作為目標(biāo)優(yōu)化的變量。

其中，為超聲波發(fā)射頻率；為超聲波在壁內(nèi)單向傳播的距離（即壁厚）；為縱波聲速，為橫波聲速。和與壁所用材料性能和爐壁或管壁所受溫度相關(guān)。

步驟三：通過傳熱/力學(xué)分析，獲取等效的編織復(fù)合材料物性參數(shù)。

其中，熱物性參數(shù)的預(yù)測方法可參考如下公式：

等效導(dǎo)熱系數(shù)：

等效密度：

等效熱容：

式中：是熱流密度；為傳熱距離；是加熱面的溫度；是六面體中與加熱面平行面的溫度；是體積；是比熱容；是密度；是導(dǎo)熱系數(shù)；下標(biāo)“”表示等效；下標(biāo)“”表示組分編號。

力學(xué)參數(shù)的預(yù)測方法如下公式：

等效導(dǎo)熱系數(shù)：

等效彈性模量：

式中：是平均應(yīng)變，為該方向上的溫度差，為力載荷。

步驟四：建立基于輕量化設(shè)計的復(fù)合材料物性參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化模型和計算方法，得到需求的相關(guān)參數(shù)。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：

1、兼顧尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化兩種模式，即在細(xì)觀尺度通過編織角度、纖維尺寸、基體尺寸以及代表性胞元尺寸等的優(yōu)化，實現(xiàn)編織復(fù)合材料各方向所需性能參數(shù)的可設(shè)計。

2、兼顧材料熱物性參數(shù)的定向可設(shè)計需求和“輕量化”追求，實現(xiàn)最小質(zhì)量下的編織復(fù)合材料物性參數(shù)設(shè)計。

3、基于網(wǎng)格變形技術(shù)的微結(jié)構(gòu)設(shè)計，是在代表性胞元網(wǎng)格模型上建立網(wǎng)格變形的控制體，通過移動控制體的控制點以直接改變計算網(wǎng)格而不需要網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，這避免在優(yōu)化過程中重復(fù)生成胞元結(jié)構(gòu)幾何外形和網(wǎng)格模型，能夠快速有效地解決優(yōu)化過程中的網(wǎng)格自動更新問題，極大地簡化了優(yōu)化流程。與參數(shù)分析和實驗方法相比，該設(shè)計方法可以顯著地降低設(shè)計成本與縮短設(shè)計周期，且獲得全局最優(yōu)解。

4、基于網(wǎng)格變形技術(shù)的微結(jié)構(gòu)設(shè)計，由于不需要代表性胞元網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，因此不會改變現(xiàn)有編織復(fù)合材料的制造加工工藝。這使得在現(xiàn)有技術(shù)和設(shè)備基礎(chǔ)上即可進(jìn)行材料的精細(xì)化可控設(shè)計，不增加生產(chǎn)成本的同時就可以獲取各方向所需的材料參數(shù)。

附圖說明

附圖1為本發(fā)明所選取的代表性胞元有限元模型；

附圖2為本發(fā)明的基于網(wǎng)格變形技術(shù)建立的控制體模型及其各組分尺寸的變化案例；

附圖3為本發(fā)明的基于可控微結(jié)構(gòu)的編織復(fù)合材料物性參數(shù)設(shè)計流程；

附圖4為本發(fā)明優(yōu)化后的外形輪廓曲線；

附圖5為本發(fā)明的溫度場響應(yīng)特性的對比結(jié)果。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

本發(fā)明為基于可控微結(jié)構(gòu)的編織復(fù)合材料物性參數(shù)設(shè)計方法，首先建立編織復(fù)合材料細(xì)觀傳熱特性分析的有限元（FEM）模型。代表性胞元的合理選取對材料物性參數(shù)的預(yù)測有重要影響。建立如附圖1a的編織復(fù)合材料代表性胞元的有限元模型。計算中纖維絲為T300，基體材料為環(huán)氧樹脂，纖維絲直徑7μm，軸向長度300μm，詳細(xì)參數(shù)見表1。在x和y向的與z向纖維交接的兩個面上施加旋轉(zhuǎn)對稱邊界，x和y向的另兩個面施加對稱邊界。在z向頂端面施加500000 W/m2, z向底端面施加300K溫度。

表1 編織材料各組分的熱物性參數(shù)

基于網(wǎng)格變形技術(shù)建立的控制體模型，如附圖2a所示。其中控制體有兩個，一個是基于立方體（整個胞元）建立，用于控制分別控制胞元整體、X Y-編織纖維、z-纖維和SiC基體三個方向尺寸的變化；另一個是圓柱形的控制體，用于控制z-纖維的三個方向尺寸變化。總共有八個控制變量。

以1e9個原始單胞尺寸的結(jié)構(gòu)（各方向1e3個原始單胞尺寸）重量最小為目標(biāo)，同時要求胞元整體z向的導(dǎo)熱系數(shù)目標(biāo)達(dá)到90 W/m K。以此目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化流程如附圖3所示。優(yōu)化流程包括：在建立FEM模型后，可分別進(jìn)行優(yōu)化熱物性參數(shù)和力學(xué)性能參數(shù)計算，優(yōu)化熱物性參數(shù)計算包括熱載荷分析、熱傳分析和節(jié)點溫度設(shè)計，力學(xué)性能參數(shù)的計算包括熱-固耦合分析和應(yīng)力與變形計算；也可在建立FEM模型后先進(jìn)行優(yōu)化熱物性參數(shù)計算然后進(jìn)行力學(xué)性能參數(shù)計算，參數(shù)計算完成后對輕量化設(shè)計的優(yōu)化目標(biāo)與約束條件進(jìn)行分析，若是收斂則設(shè)計結(jié)束，若是不收斂則對網(wǎng)格進(jìn)行變形處理，然后設(shè)計新的控制變量建立新的FEM模型，再重新進(jìn)行參數(shù)計算設(shè)計，直到設(shè)計優(yōu)化結(jié)束。

優(yōu)化后，如附圖4所示，從代表性胞元的網(wǎng)格模型中可以獲取優(yōu)化后的外形輪廓曲線。

附圖5給出了兩者的溫度場響應(yīng)特性，與原始模型相比，z向的導(dǎo)熱系數(shù)由原始的84.98 W/m K增大為90 W/m K，而結(jié)構(gòu)減重達(dá)5.78%。

最后應(yīng)說明的是：顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本申請所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本申請型的保護(hù)范圍之中。