[发明专利]考虑热解碳各向异性特征的C/C复合材料弹性性能预测方法

说明书

本发明涉及一种考虑热解碳各向异性特征的C/C复合材料弹性性能预测方法，根据CVI过程中热解碳的各向异性特征，建立了C/C复合材料的代表性体积单元模型。该模型首先利用简单插值方法得到等效基体属性，并读取每个等效基体单元的体心坐标，其次，通过泰森多边形原理判断等效基体单元所属的区域，完成各向异性热解碳围绕纤维生长的形貌表征，最终实现C/C复合材料弹性性能的有效预测。本发明弥补了目前数值模型中热解碳建模的不足，准确表征了各向异性热解碳围绕纤维生长的形貌特征，同时综合考虑了孔隙对复合材料整体有效弹性性能的影响，为其他含有热解碳的复合材料建模提供一定的借鉴。

技术领域

本发明属于复合材料力学计算领域，涉及一种考虑热解碳各向异性特征的C/C复合材料弹性性能预测方法。

背景技术

C/C复合材料广泛应用于航空、航天及能源领域，如固体火箭发动机喉衬、喷管、飞机刹车盘、硅单晶炉热场部件等。化学气相渗透(CVI)是制备高性能C/C复合材料的主要工艺，由该工艺制备的C/C复合材料基体为热解碳。根据热解碳在偏光显微镜下的微观形貌可分为四种织构，分别为各向同性、暗层、光滑层和粗糙层。不同织构热解碳围绕碳纤维生长特征存在区别，另外，由于不同织构热解碳的各向异性程度不同，使得沿不同方向的微观力学性能具有显著差异，导致不同织构热解碳C/C复合材料具备不同的力学性能，从而影响着C/C复合材料部件的服役寿命及工作环境。目前，C/C复合材料力学性能的表征方法主要包括实验和仿真，然而实验方法的成本较高，周期较长，因此，建立一种考虑热解碳各向异性特征的仿真方法对C/C复合材料力学性能预测方面具有非常重要的意义。

目前数值和解析模型是预测C/C复合材料性能的主要计算手段。解析模型一般采用平均场的夹杂理论来建立微观结构参数与C/C复合材料性能之间的定量关系，但是该方法无法获取复合材料局部应力和应变场等重要细节。所以相比之下，数值模型更适合预测C/C复合材料的力学性能，通过有限元软件建立具有复杂微观结构特征的C/C复合材料模型，输入各组分性能参数，施加一定的边界条件，对C/C复合材料进行整体离散分析，从而实现C/C复合材料力学性能的准确预测。

在C/C复合材料微观结构建模方面，文献“Piat R,Reznik B,Schnack E,etal.Modeling of effective material properties of pyrolytic carbon withdifferent texture degrees by homogenization method[J].Composites science andtechnology,2004,64(13-14):2015-2020.”在纳观尺度中通过热解碳的取向特征构建了基体的数值模型，有效预测了不同织构热解碳的弹性性能，但是需要进一步考虑孔隙、纤维和热解碳之间的相互作用。文献“Chao X,Qi L,Jing C,et al.Numerical evaluation ofthe effect of pores on effective elastic properties of carbon/carboncomposites[J].Composite Structures,2018,196.”建立了不考虑热解碳围绕碳纤维生长特征的单向细观尺度模型，可以对C/C复合材料的整体弹性性能进行预测。然而，若要较为真实地了解热解碳基体的局部应力和应变变化情况，必需综合考虑孔隙影响以及各向异性热解碳的生长特征。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术C/C复合材料建模方法的不足之处，本发明提出一种考虑热解碳各向异性特征的C/C复合材料弹性性能预测方法，该方法充分考虑各向异性热解碳围绕碳纤维生长的形貌特征以及孔隙的影响，通过对所建立的数值模型施加周期性边界条件，以及利用体积平均算法，实现对C/C复合材料弹性性能的有效预测。

技术方案

一种考虑热解碳各向异性特征的C/C复合材料弹性性能预测方法，其特征在于步骤如下：