一种短纤维增强烧蚀材料的体烧蚀模拟方法与流程 专利技术说明

医药医疗技术的改进;医疗器械制造及应用技术1.本发明属于多功能复合材料与结构的数值模拟技术领域，特别涉及一种短纤维增强烧蚀材料的体烧蚀模拟方法、程序、存储介质及设备。背景技术：2.短纤维增强烧蚀材料在加热过程中发生一系列复杂的物理化学变化，烧蚀过程的数值模拟是探究其内部机理和主要技术手段之一。随着烧蚀理论的研究深入，烧蚀材料的热扩散、碳沉积和热膨胀等典型体烧蚀现象受到足够重视并开展了大量研究工作。3.碳沉积的反应动力学非常复杂，一般认为热解气体的滞留时间，气体逸出粘性和内部氧含量等是主要的影响因素，同时碳的沉积与碳的氧化相互竞争，共同决定了材料微观结构的孔隙率和密度。duffa等人研究了沉积反应与微观结构比表面积的关系。jiangxi li等人观察到烧蚀材料内部出现“致密/疏松”和“疏松/致密/疏松”的结构特征并分析了其形成机理，并指出微观结构特征对数值模型的准确性有较大影响。natali等人在数值模型中考虑了材料的膨胀、碳的沉积反应以及弹性基体的力学性能，研究表明，在没有考虑热膨胀、热沉积时，模型的仿真值低于实测值；而引入热膨胀和热沉积因素后，一方面证实了材料的致密化，另一方面得到了与实测结果吻合良好的温度曲线。4.热膨胀的主要原因，一是温度梯度使烧蚀材料产生热应变；二是热解气体的逸出流动受阻而在材料内部产生压力。烧蚀材料的热膨胀延长了热传递路径，影响材料的温度场和烧蚀率。西北工业大学的时圣波研究团队对硅纤维增强酚醛树脂复合材料的实验证实，热膨胀对于材料温度场的影响明显：数值模型中考虑热膨胀和未考虑热膨胀所得到的温度数据相差约50℃；而且氧-乙炔烧蚀实验(冷壁热流约2～3mw/m2，持续时间200s)结果显示，材料内部存在约为60atm的压力峰值，它造成了材料的膨胀。在高加热率下树脂基复合材料由于内压而造成的裂纹和散裂也是常见的破坏模式。5.综合上述纤维增强烧蚀材料数值模拟研究，模型的尺度方面，不考虑或者抽象化考虑烧蚀材料的孔隙结构特征，显然无法准确地把握影响材料热响应的关键因素，且仿真结果在一定程度上依赖对微观结构几何参数的前提性假设；模型的维度方面，考虑到垂直于表面的温度梯度远大于其他方向，一维烧蚀模型用于描述均质性材料的热传导过程是合适的；但是当考虑到纤维增强复合材料的非均质性特征时，必须将模型延展到二维或者三维进行描述。此外，由于纤维直径和材料孔隙尺寸已接近气体的平均自由程，所以基于连续性假设而忽略材料微观结构的数值模型，并非严格准确。技术实现要素：6.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种短纤维增强烧蚀材料的体烧蚀模拟方法，利用离散元法表征短纤维增强烧蚀材料的内部结构特征，从而提高烧蚀过程数值模拟准确性，提供捕捉细观烧蚀机理的可能性。7.本发明的技术解决方案是：一种短纤维增强烧蚀材料的体烧蚀模拟方法，包括：8.s1，利用离散元法将短纤维增强烧蚀材料构造成一系列球形颗粒单元组成的离散系统；9.s2，各计算时步下，利用hertz-mindlin接触模型和parallel-bond模型计算颗粒单元的接触面积、接触力和连接力；10.s3，通过能量守恒原理和傅里叶导热定律计算颗粒单元的温度；11.s4，通过对动量守恒方程连续两次积分，计算颗粒单元的位移和角位移；更新各颗粒单元的速度、位移、直径，更新离散系统的孔隙率和孔隙压力；12.s5，迭代求解和可视化，直至满足特定条件而结束模拟。13.进一步地，所述s1包括：14.用n个随机排列的球形颗粒单元bim表示短纤维增强烧蚀材料的基体材料相，用m个簇式排列的球形颗粒单元bif表示短纤维相，将n+m个颗粒单元紧密排布在计算域中构造出表征烧蚀材料多孔性、非均质性结构特征的离散系统。15.进一步地，所述s2包括：16.各计算时步下，通过hertz-mindlin接触模型计算各颗粒单元bi在接触处的接触面积和接触力，通过parallel-bond模型在颗粒单元bim之间、bif之间，以及bim和bif之间建立连接单元，并计算各连接处的连接力；颗粒单元之间一旦接触就会产生接触力，连接单元一旦断裂则不再重新连接或产生连接力。17.进一步地，所述s3包括：18.各计算时步下，颗粒单元bi根据温度分为碳化层颗粒单元bic、完好层颗粒单元biv和热解层颗粒单元bip，分别为三种颗粒单元建立傅里叶导热微分方程，在给定初始条件和第二类边界条件下，求解各颗粒单元的温度。19.进一步地，所述s4中，利用细观上颗粒单元直径随温度发生线性变化描述宏观上材料的热膨胀，利用细观上颗粒单元直径随孔隙压力发生线性变化描述宏观上材料的碳沉积。20.进一步地，所述s5中，迭代求解步骤包括：21.a)根据当前时步颗粒单元的位置和直径检索计算域中所有接触对；22.b)更新颗粒单元的接触面积、接触力、连接力；23.c)更新颗粒单元的温度；24.d)更新颗粒单元的位移和角位移；更新各颗粒单元的速度、位移、直径；更新离散系统的孔隙率和孔隙压力；25.e)更新计算域的可视化场景。26.进一步地，所述s5中，特定条件包括：给定的第二类边界条件加载完毕、达到设定的计算时步数、颗粒温度超过许用温度值。27.一种短纤维增强烧蚀材料的体烧蚀模拟系统，包括：28.几何建模模块，用于在计算域中构造离散系统，指定基体材料相颗粒单元和短纤维相颗粒单元；29.力学建模模块，用于在相同相、不同相颗粒单元之间建立连接单元；30.力学计算模块，用于接触判断，计算颗粒单元的受力；31.烧蚀计算模块，用于计算颗粒单元的温度；32.运动更新模块，用于计算颗粒单元的位置、直径；离散系统的孔隙率和孔隙压力；33.可视化模块，用于刷新和显示计算域可视化场景。34.一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述的计算机程序被处理器执行时实现所述一种短纤维增强烧蚀材料的体烧蚀模拟方法的步骤。35.一种短纤维增强烧蚀材料的体烧蚀模拟设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述的处理器执行所述的计算机程序时实现所述一种短纤维增强烧蚀材料的体烧蚀模拟方法的步骤。36.本发明与现有技术相比的优点在于：37.本发明直观地表达短纤维增强烧蚀材料的多孔性、非均质性结构特征，能够提供观察烧蚀材料体烧蚀过程的内部结构演化规律，从而提高数值模拟准确性，提供捕捉细观烧蚀机理的可能性。附图说明38.图1为本发明方法的流程图；39.图2为本发明实施例中利用离散元法构造的球形颗粒单元组成的离散系统的示意图；40.图3为本发明实施例中碳沉积物理模型的示意图；41.图4为本发明实施例中热膨胀物理模型的示意图；42.图5为本发明实施例中短纤维增强烧蚀材料的体烧蚀模拟程序的功能模块示意图。具体实施方式43.为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本技术技术方案做详细的说明，应当理解本技术实施例以及实施例中的具体特征是对本技术技术方案的详细的说明，而不是对本技术技术方案的限定，在不冲突的情况下，本技术实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。44.以下结合说明书附图对本技术实施例所提供的一种短纤维增强烧蚀材料的体烧蚀模拟方法做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括(如图1～5所示)：45.在本技术实施例所提供的方案中，以二维圆形颗粒离散单元法加以说明，烧蚀材料具体是短切碳纤维增强的甲基硅橡胶烧蚀材料，体烧蚀指温度达到并超过材料热解温度后，在材料内部发生的热扩散、热膨胀和碳沉积现象。46.图1是本技术一实施例提出的短纤维增强烧蚀材料的体烧蚀模拟方法的流程图，该方法包括以下步骤：47.s1，利用离散元法将短纤维增强烧蚀材料构造成一系列球形颗粒单元组成的离散系统。48.一般采用电子显微镜分析短纤维增强烧蚀材料试样的三维微观结构，用以确定几何模型的填充参数，试件的孔隙率ф：[0049][0050]其中，spi是试件剖面上孔隙面积之和，s是试件剖面面积。本实施例实测得到的孔隙率ф＝12％～23％。[0051]利用leclerc等人提出的离散体填充算法[leclerc,w.,et al.adv.eng.softw,2014,77:1-12.]，将286个圆形颗粒填充至80mm×80mm的正方形计算域内，颗粒直径满足在[3mm，7mm]上的正态分布，如图2所示，其中274个随机排列的球形颗粒单元bim表示短纤维增强烧蚀材料的基体材料相，12个簇式排列的直径均为5mm的球形颗粒单元bif表示短纤维相，所有颗粒单元的填充状态是随机的、紧密性，颗粒单元的平均接触数是3.5。[0052]s2，各计算时步下，利用hertz-mindlin接触模型和parallel-bond模型计算颗粒单元的接触面积、接触力和连接力。[0053]某计算时步下，如果两颗粒单元bi和bj之间满足距离lbi-j与颗粒半径r之间满足关系式lbi-j《(rbi+rbj),则彼此发生接触，通过hertz-mindlin接触模型计算各颗粒单元bi在接触处的接触面积s*、法向接触力fnc和切向接触力ftc：[0054][0055][0056][0057]其中，r*是颗粒单元的等效接触半径，e*是等效弹性模量，g*是等效切变模量，m*是等效质量，δn是颗粒单元的交叠量，vnvel和vtvel分别是颗粒单元的相对法向速度、相对切向速度。[0058]本实施例中，通过parallel-bond模型在颗粒单元bim之间、bif之间，以及bim和bif之间建立连接单元，连接单元用法向连接刚度knb、切向连接刚度ksb、材料拉伸强度极限σc和材料剪切强度极限τc定义，法向连接力fnb和切向连接力ftb分别为：[0059][0060][0061]其中，a是颗粒单元接触区域的截面面积，a＝2rt,本实施例中二维圆形颗粒的厚度t＝1；δδn和δδt分别是当前计算时步下颗粒单元的相对法向位移和相对切向位移。如果计算得到的颗粒单元之间的拉应力σi或者切应力τi超过了材料的拉伸强度极限σc或者材料剪切强度极限τc，则连接单元失效。[0062]颗粒单元之间一旦接触就会产生接触力，连接单元一旦失效则不再重新连接或产生连接力。[0063]s3，通过能量守恒原理和傅里叶导热定律计算颗粒单元的温度。[0064]各计算时步下，颗粒单元bi根据温度ti,分为碳化层颗粒单元bic(ti》tp+δt)、完好层颗粒单元biv(ti《tp-δt)和热解层颗粒单元bip，其中tp是材料的热解起始温度,tp±δt是热解区的温度区间，本实施例中，tp＝723k，δt＝293k。[0065]根据能量守恒原理分别为碳化层、完好层和热解层的颗粒单元建立傅里叶导热微分方程：[0066][0067][0068][0069]其中，n是彼此接触颗粒单元中心连线的方向向量，是各层颗粒单元的热导率，是随温度变化的函数，cpg是热解气体的定压比热容，是热解气体的质量流率，ρ是各层的材料的密度，hp是热解反应的相变热，热解反应速率用arrhenius公式描述，取一阶反应速率，e是热解反应的活化能，ta是热解反应起始温度，z是热解反应的指前系数。[0070]本实施例中，最外层颗粒单元施加第二类边界条件，其余边界颗粒单元施加绝热边界条件。第二类边界条件的导热微分方程是：[0071][0072]其中，qr(t)是加载在最外层颗粒单元上的热流密度-时间曲线，αc是碳化层的吸收率，εw是表面颗粒单元的全辐射系数，σ是斯忒潘玻尔兹曼常数，tw是表面颗粒单元的温度，是碳化层表面的氧化反应速率，hc是碳化层的燃烧热。[0073]各计算时步下，对所有颗粒单元联立求解(7)～(10)的微分方程，可以得到所有颗粒单元的温度。经过多个计算时步，可以观测到边界热流引起烧蚀材料热扩散的过程，以及热解层自外向内移动的过程。[0074]根据颗粒单元当前的温度，计算颗粒单元的直径d(t)，从而模拟颗粒单元的热膨胀过程：[0075]d(t)＝d0(1+αtδt)(11)[0076]其中，d0是初始颗粒直径，αt是颗粒的热膨胀系数，与烧蚀材料的热膨胀系数相同，δt是当前时步颗粒的温度变化。所有颗粒单元由于温度变化在某方向上的整体运动形成烧蚀材料在该方向上的热应变ε，如图3所示。[0077]根据离散系统当前的孔隙率ф和孔隙压力pф，计算颗粒单元的直径d(pф)，从而模拟颗粒单元的碳沉积过程：[0078]d(pφ)＝d0(1+f(pφ))(12)[0079]根据文献数据，通过数据拟合获得特定边界热流条件下的孔隙压力pф随孔隙率ф和温度t变化的p-ф-t曲线，本实施例中，碳化层孔隙内热解气体的宏观秒流速是mm到cm量级，相对压强1kpa～100kpa。将孔隙压力pф与颗粒直径d(pф)关联，从而迭代更新颗粒的表面压力和直径，如图4所示。[0080]s4,通过对动量守恒方程连续两次积分，计算颗粒单元的位移和角位移；更新各颗粒单元的速度、位移、直径,更新离散系统的孔隙率和孔隙压力；[0081]s5，迭代求解和可视化，直至满足特定条件而结束模拟。[0082]具体而言，迭代求解步骤包括：[0083]a)根据当前时步颗粒单元的位置和直径检索计算域中所有接触对；[0084]b)根据公式(2)～(6)，更新颗粒单元的接触面积、接触力、连接力；[0085]c)根据公式(7)～(10)，更新颗粒单元的温度；[0086]d)通过对动量守恒方程连续两次积分，计算颗粒单元的位移和角位移；根据公式(11)和(12)计算颗粒单元的直径；根据公式(1)计算离散系统的孔隙率，根据p-ф-t曲线计算离散系统的孔隙压力。[0087]e)更新计算域的可视化场景，本实施例采用opengl图形开发库对二维离散元法的计算域可视化场景进行渲染和刷新，频率是每20个计算时步刷新一次，从而观测整个计算域中颗粒单元高温扩散、结构演化和颗粒单元应力变化等过程。[0088]如果下列特定条件满足，则本次数值模拟过程结束：[0089]a)给定的第二类边界条件加载完毕；[0090]b)达到设定的计算时步数；[0091]c)颗粒温度超过许用温度值(1073k)。[0092]基于同一发明构思，本发明一实施例提供一种短纤维增强烧蚀材料的体烧蚀模拟程序100，如图5所示，该程序包括：[0093]几何建模模块110，用于在计算域中构造离散系统，指定基体材料相颗粒单元和短纤维相颗粒单元；[0094]力学建模模块120，用于在相同相、不同相颗粒单元之间建立连接单元；[0095]力学计算模块130，用于接触判断，计算颗粒单元的受力；[0096]烧蚀计算模块140，用于计算颗粒单元的温度；[0097]运动更新模块150，用于计算颗粒单元的位置、直径；离散系统的孔隙率和孔隙压力；[0098]可视化模块160，用于刷新和显示计算域可视化场景。[0099]基于同一发明构思，本发明另一实施例提供一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本发明上述任一实施例所述的短纤维增强烧蚀材料的体烧蚀模拟方法中的步骤。[0100]基于同一发明构思，本技术另一实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行时实现本技术上述任一实施例所述的短纤维增强烧蚀材料的体烧蚀模拟方法中的步骤。[0101]对于程序实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。[0102]本技术提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，当所述计算机指令在计算机上运行时，使得计算机执行图1所述的方法。[0103]本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。[0104]本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。[0105]这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。[0106]这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。[0107]需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。[0108]显然，本领域的技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离本技术的精神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在内。[0109]本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。









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