[发明专利]一种连续纤维增强陶瓷基复合材料跨尺度损伤预测方法

说明书

本发明公开了一种一种连续纤维增强陶瓷基复合材料跨尺度损伤预测方法，包括建立宏观尺度构件有限元模型；建立纤维束尺度有限元模型；建立其统计模型；建立纤维丝尺度有限元模型；计算宏观尺度下所有单元的高斯点应变；计算纤维束尺度下所有单元的高斯点应变；计算其纤维束尺度位移；计算其宏观尺度位移；利用相场法求解相场并更新宏观尺度的边界条件，迭代整个过程，从而预测损伤演化。本发明可快速实现连续纤维增强陶瓷基复合材料宏观形状、位置和角度的精确建模，从底层的纤维丝尺度开始计算，全面考虑了连续纤维增强陶瓷基复合材料的纤维束尺度下纤维形状对宏观尺度损伤的影响，能够更加准确的预测连续纤维增强陶瓷基复合材料的损伤。

技术领域

本发明属于连续纤维增强陶瓷基复合材料跨尺度损伤预测研究技术领域，具体是一种连续纤维增强陶瓷基复合材料跨尺度损伤预测方法。

背景技术

连续纤维增强陶瓷基复合材料自诞生以来，因其耐高温、高强度、强韧性、低密度、热膨胀小及抗磨损等优良性能，被广泛用于制造飞机、航天器、火箭等发动机和核能的关键部件。目前国内外各研究机构在材料制备、性能改良、制造工艺等相关领域开展了诸多开创性的研究工作。总体而言，我国在连续纤维增强陶瓷基复合材料基础研究、产业化和应用等方面与西方国家仍存在一定差距。

连续纤维增强陶瓷基复合材料的宏观性能及损伤机制不仅与基体材料特性密切相关，且与微结构组成、界面相组成及分布、增强相黏着/接触状态、孔隙特征和裂纹分布等有关。鉴于其制备过程影响因素众多，目前，在不同相热膨胀系数不匹配、增强相抗氧化、材料宏观参数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。长期以来，连续纤维增强陶瓷基复合材料的材料损伤多采用实验测试获得，难以对其进行预测。鉴于其微结构缺陷存在随机性，且不同位置的编织方式存在差异，导致测试结果存在一定差异。

因此，建立连续纤维增强陶瓷基复合材料跨尺度损伤预测方法，并系统分析各种因素的影响机制，不仅有助于指导微结构编织方式选择和材料性能改善，更可优化材料合成工艺和合成新型陶瓷基复合材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种连续纤维增强陶瓷基复合材料跨尺度损伤预测方法，该方法结合连续纤维增强陶瓷基复合材料微结构模型参数模型，可实现陶瓷基复合材料跨尺度建模；通过相场法引入纤维束尺度计算结果对宏观尺度的损伤进行预测。

本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种连续纤维增强陶瓷基复合材料跨尺度损伤预测方法，包括以下步骤：

S1、建立连续纤维增强陶瓷基复合材料的宏观尺度构件有限元模型；

S2、建立包含任意复杂编织预制体的纤维束尺度有限元模型；

S3、通过导入CT扫描得到的孔隙信息，建立其形状、位置、尺寸、分布的统计模型，并在纤维束尺度模型引入自然缺陷特征；

S4、建立纤维丝尺度有限元模型，并通过统计模型引入自然缺陷特征；

S5、引入并行计算，计算宏观尺度下所有单元的高斯点应变，作为纤维束尺度下模型的边界条件；

S6、引入并行计算，计算纤维束尺度下所有单元的高斯点应变，以作为纤维丝尺度下模型的边界条件；

S7、采用CPU+GPU并行计算算法，在纤维丝尺度下计算平均应力和平均应变返回纤维束尺度计算其纤维束尺度位移；

S8、在纤维束尺度下计算平均应力和平均应变返回宏观尺度计算其宏观尺度位移；

S9、在宏观尺度下，引入上一步计算处的位移场，利用相场法求解相场并更新宏观尺度的边界条件，迭代整个过程，从而预测损伤演化。

进一步的技术方案是，所述步骤S1具体实现方法为：建立宏观尺度模型，修改其边界从而预设一条裂纹。

进一步的技术方案是，所述步骤S2具体实现方法为：