[发明专利]一种编织陶瓷基复合材料预制体宏细观一体化建模方法

说明书

本发明公开了一种编织陶瓷基复合材料预制体宏细观一体化建模方法，可依据编织陶瓷基复合材料的实际细观结构，建成了包含纤维束、基体及孔隙的细观模型，且模型精确度高，能准确反映出材料各组成部分，为后续的有限元计算建立了基础。本发明建立模型的过程完全实现了参数化，当结构尺寸发生变化时，可通过仅修改参数达到快速修改模型的目的。本发明可模拟材料制备时基体不断生长的过程，通过控制基体厚度的参数可使基体逐渐长大，以适应不同材料的基体占比以及孔隙率，可应用范围广。

技术领域

本发明涉及陶瓷基复合材料技术领域，具体涉及一种编织陶瓷基复合材料参数化建模方法。

背景技术

陶瓷基复合材料(CMCs)有高强度、高弹性模量、低密度、耐高温、抗烧蚀等特点，具有代替金属作为航空发动机热端部件材料的潜力，所以对CMCs的研究成为航空材料领域研究的热门。其中，编织CMCs是CMCs的主要类型，包括2D编织CMCs、2.5D编织CMCs和3D编织CMCs等。编织CMCs具有复杂的预制体结构，给研究人员对其力学模型与失效模式的分析造成了困难，所以建立能准确反映编织CMCs预制体结构的三维模型是有必要的。

目前对编织CMCs建模的研究主要有计算机图形识别方法。该方法首先通过XCT技术获得CMCs预制体结构的内部图像，然后通过计算机图形识别技术识别出对应的经纱、纬纱和基体，将每一幅经过识别的图片堆叠起来，建立编织CMCs预制体结构的模型(见中国专利申请CN106469454A《一种复合材料细观结构的计算机图形识别技术和三维建模方法》)。此技术只能根据已有的试验件进行识别并建模，不能进行模型的设计以及模拟基体生长等过程，具有一定局限性。另外一些学者建立了编织CMCs的单胞模型，再对单胞模型进行力学行为分析(见孔春元等,2.5维C/SiC复合材料单胞模型及刚度预测.航空动力学报,2011(11):第2459-2467页)。这种建立单胞模型的方法没有考虑到沿纤维束周围生长的基体，和实际材料有一定差距，而且某些零件具有不规则的复杂结构，如开孔板等，这种构件就不宜应用单胞模型进行计算和分析。

发明内容

本发明的技术目的是针对现有技术的不足，提供一种改进的编织陶瓷基复合材料预制体宏细观一体化建模方法，该方法可以真实地反映出各个方向纱线、基体以及孔隙等细观结构，同时参数化的设计使得模型可作快速修改，应用范围更广。

为实现上述技术目的，本发明提供的技术方案为：

一种编织陶瓷基复合材料预制体宏细观一体化建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)用几何图形模拟编织陶瓷基复合材料预制体结构中纤维束的截面形状，创建所述纤维束的截面；

2)用曲线模拟编织陶瓷基复合材料预制体结构中经线纤维束的走向，利用函数创建拟合出所述曲线，并将经线纤维束的截面沿着所述曲线扫掠，获得一个经线纤维束的模型；

3)重复步骤2)，针对编织陶瓷复合材料预制体结构中走向不同的经线纤维束，各自建立一个模型；

4)用直线模拟编织陶瓷基复合材料预制体结构中纬线纤维束的走向，利用函数创建拟合出所述直线，并将纬线纤维束的截面沿着所述直线扫掠，获得一个纬线纤维束的模型；

5)用几何图形模拟包裹经线/纬线纤维束的基体截面形状，根据预设的基体厚度参数，创建基体的截面，并将基体的截面沿着经线纤维束或纬线纤维束的中轴线进行扫掠，建立经线或纬线纤维束外基体的模型；或者以基体的外轮廓形状创建截面，将外轮廓截面沿着经线纤维束或纬线纤维束的中轴线进行扫掠后，将得到的体对基体内的纤维束模型进行布尔减操作，去除基体干涉至纤维束的部分，获得基体模型；

经线纤维束模型与其外部的基体模型组成一个完整的经线单元模型，纬线纤维束模型与其外部的基体模型组成一个完整的纬线单元模型；