[发明专利]一种热传导问题中复合材料的近场动力学建模方法

说明书

本发明公开一种热传导问题中复合材料的近场动力学建模方法，包括下述步骤：(1)建立实体模型；(2)分割实体模型，确定模型中各材料的分层的区域位置，并对各区域赋予相应的材料属性；(3)对实体模型划分单元网格；(4)设置实体模型各单元处的初始温度值；(5)基于质量扩散的近场动力学本构关系整合模型参数，确定整个实体模型中各单元处温度变化计算方法，计算实体模型中所有单元的运算参数；(6)提交计算。本发明的建模方法精度高，网格自适应性好，通过对模型中所有参数进行预先处理，可大大减少运算时的复杂程度，使得算法极大地优化；而且，本发明的建模方法及运算过程适用性广，能够适用于众多问题。

技术领域

本发明涉及一种热传导问题中复合材料的近场动力学建模方法，属于热传导系统设计制造技术领域。

背景技术

随着航空航天技术的发展，热防护技术也随之迅猛发展。在该领域，复合材料具有比传统材料更加优异的热力学性能能够满足多种需要，同时还具有良好的力学性能和可塑性，制备也十分方便，因而越来越广泛地被应用于各种飞行器防护结构中。随着应用的日益增多，在设计结构时，对其数值模拟验证其安全可靠性的需求也越来越多。

对复合材料的常规建模方法是有限元法，该方法不仅存在模型建立过程繁琐，工作量大等问题，而且对网格依赖性太大，为了获得较高的精度，需要将网格划分的很密，构建起来十分困难，并且对计算机的性能也有很高的要求，同时，在奇异点处求解精度低，难以满足求解需要。如何提高计算精度、如何有效地减小工作量，成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题和研究的重点。

发明内容

发明目的：针对现有有限元建模方法存在的计算精度小、工作量大的问题，本发明提供一种热传导问题中复合材料的近场动力学建模方法，该建模方法具有很高可靠性和高精度并能大大减小工作量。

技术方案：本发明所述的热传导问题中复合材料的近场动力学建模方法，包括如下步骤：

(1)建立实体模型，其外轮廓尺寸为需建模的复合材料尺寸；

(2)按照实际复合材料内各组分分布规律分割所述实体模型，确定实体模型中各材料的分层区域位置，并对各区域赋予相应的材料属性，同时得到复合材料各组分的分界面；

(3)对实体模型划分单元网格，并依据各组分尺寸逐层细分，直至各部分单元尺寸满足计算精度要求；

(4)设置实体模型的温度边界条件，即实体模型各单元处的初始温度值；

(5)基于热传导的近场动力学本构关系整合模型参数，确定整个实体模型中各单元处温度变化计算方法，计算实体模型中所有单元的运算参数；

(6)提交计算。

上述步骤(3)中，可按如下方式划分单元网格：

i)对整个模型进行粗略划分，其中，二维模型中单元为正方形，三维模型中单元为正方体，单元边长为d₁；

ii)选取模型中现有网格划分中位于各材料交界面处的单元，基于四叉树原理依次对该部分单元进一步细分，新单元尺寸d₂＝d₁/2；

iii)重复ii)过程，直到细分的单元尺寸满足对交界面处的计算精度要求，各级单元尺寸依次为d₁,d₂,…,d_n，其中d_i＝d₁/2^i-1(i＝1,2,…,n)。

优选的，步骤i)中，d₁＝L/150～L/300，L为所述实体模型最长边的边长。

上述步骤(4)中，根据复合材料实际情况赋予实体模型温度边界条件，所述温度边界条件如下：

在时间为t₀时，