[发明专利]连续纤维增韧陶瓷基复合材料自然孔隙信息拟合方法

说明书

本发明提供连续纤维增韧陶瓷基复合材料自然孔隙信息拟合方法，解决现有统计分析方法极少考虑自然孔隙实际形状、方向及分布等特征信息，导致研究人员难以准确预测连续纤维增韧陶瓷基复合材料宏观性能和构件使用寿命的问题。1)对复合材料进行断层扫描，通过阈值分割提取所有自然孔隙的数字化特征；2)对自然孔隙进行四面体有限元网格划分，得到其节点坐标矩阵和单元组成矩阵；3)提取自然孔隙的四面体单元组成，确定自然孔隙中心坐标矩阵；4)对自然孔隙进行主成分分析，确定自然孔隙的主轴方向；5)对自然孔隙进行形状优化拟合，获得其最佳拟合参数，包括孔隙形状、尺寸和方向；6)对所有自然孔隙的拟合参数进行统计分析。

技术领域

本发明属于材料微结构仿真评价技术领域，具体涉及一种连续纤维增韧陶瓷基复合材料自然孔隙信息拟合方法。

背景技术

连续纤维增韧陶瓷基复合材料(CMC)由于具备耐高温、耐磨、低密度、高韧性等特性，在航空航天、核能等领域有着重要的应用。目前，国内外众多科研机构和院校对连续纤维增韧陶瓷基复合材料的制备、性能改良、生产工艺等进行了大量研究，以期待进一步提升和改善其性能。虽然中国近年来在纤维增韧陶瓷基复合材料领域取得了长足发展，但同其他国家相比，在基础理论、试验方法和实际应用等方面仍存在不小差距。

CMC的一个重要特征是基体及增韧相内存有大量的缺陷，包括孔隙、裂纹、初始损伤等，此类缺陷对材料的宏观性能和服役安全影响显著。目前，实验测试仍是研究CMC性能最常用的方法，但该过程成本极高，周期长，且获得的数据通常存在很大差异。随着计算机硬件和计算理论的飞速发展，数值模拟成为解决此类问题的有力工具；有限元法因其成本低、效率高，是一种定量评价孔洞、裂纹等缺陷对CMC材料和构件性能影响的可行方法。此外，CMC制备过程影响因素众多，目前，在不同相热膨胀系数不匹配、增韧相抗氧化、材料宏观性能精确预测和内部损伤跨尺度表征等方面仍存在较多亟待解决的问题。

当前，一些商业软件(例如AVIZO等)可实现对生物组织、CMC等材料内孔隙半径、分布等信息的统计分析，但往往极少考虑自然孔隙实际形状、方向及分布等特征信息，从而影响研究人员准确预测连续纤维增韧陶瓷基复合材料宏观性能和构件使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于解决现有统计分析方法极少考虑自然孔隙实际形状、方向及分布等特征信息，导致研究人员难以准确预测连续纤维增韧陶瓷基复合材料宏观性能和构件使用寿命的不足之处，而提供了一种连续纤维增韧陶瓷基复合材料自然孔隙信息拟合方法。

为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：

一种连续纤维增韧陶瓷基复合材料自然孔隙信息拟合方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)对连续纤维增韧陶瓷基复合材料进行断层扫描，通过阈值分割提取连续纤维增韧陶瓷基复合材料内所有自然孔隙的数字化特征；

2)利用步骤1)获得的数字化特征，对每个自然孔隙进行四面体有限元网格划分，得到其节点坐标矩阵和单元组成矩阵；

3)利用步骤2)得到的节点坐标矩阵与单元组成矩阵，提取每个自然孔隙的四面体单元组成，并确定每个自然孔隙中心坐标矩阵；

4)对每个自然孔隙，利用步骤3)获得的中心坐标矩阵进行主成分分析，确定每个自然孔隙的三个主轴方向；

5)利用步骤4)得到的三个主轴方向，对每个自然孔隙进行形状优化拟合，获得每个自然孔隙的最佳拟合参数，所述拟合参数包括孔隙形状、尺寸和方向；

6)对所有自然孔隙的拟合参数进行统计分析，得到自然孔隙的特征信息，即三个主轴(a、b、c)长度、形状控制参数n、以及欧拉角(α、β、γ)。

进一步地，步骤1)具体是：