基于全尺寸微观结构模型的编织CMC材料薄壁构件等效导热系数预估方法技术

本发明专利技术公开了基于全尺寸微观结构模型的编织CMC材料薄壁构件等效导热系数预估方法，获取编织CMC材料的几何特征，结合其实际厚度，建立编织结构的全尺寸微观结构模型；将其导入软件，对其基体和纤维束进行热物性参数赋值；针对全尺寸微观结构模型，进行网格划分，在纤维束内部及纤维束和基体交界的区域进行网格局部加密；对全尺寸微观结构模型上下表面给定温边界条件，四周给周期边界条件，开展温度场的有限元计算；根据有限元计算结果获得厚度方向的平均热流密度，结合计算模型的厚度及边界温度差值，根据傅里叶公式计算获得编织CMC材料薄壁构件厚度方向的等效导热系数。本发明专利技术获得更加接近实测值的编织CMC材料厚度方向等效导热系数。

Prediction method of equivalent thermal conductivity of woven CMC thin-walled components based on full-scale microstructure model

【技术实现步骤摘要】
基于全尺寸微观结构模型的编织CMC材料薄壁构件等效导热系数预估方法
本专利技术属于工程热物理
，特别涉及一种基于全尺寸微观结构模型的编织CMC材料薄壁构件等效导热系数预估方法。
技术介绍
随着航空涡轮发动机推重比的提高，涡轮进口燃气温度也在逐渐提升，涡轮叶片及燃烧室火焰筒等高温部件对材料的耐热性能存在较高要求，因此，以纤维增韧陶瓷基复合材料(CeramicMatrixComposite，CMC)为代表的新型耐高温材料得到了越来越多的关注及应用。陶瓷基复合材料是在陶瓷基体添加了C或SiC等纤维增强相，使其同时具备了耐高温性能以及高强度和良好的韧性，故其在航空发动机涡轮叶片等高温薄壁构件上具有较好的应用前景，但在应用中需要对其各向异性等效导热系数进行预估。目前，较多国家及航空发动机制造商对连续纤维增韧的CMC材料进行了大量研究及应用开发(SinghM.AdvancedCeramicMatrixComposites(CMCs)forHighTemperatureApplications,OAI:CASI.NTRS.NASA.GOV:20070018031)。其最为突出优点的是：(1)能够耐高温，减少冷却空气需求量，进而提高发动机的性能；(2)密度为2.0～2.5g/cm3，仅是高温合金和铝合金的1/4～1/3、钨合金的1/10～1/9，可大大减轻结构质量；(3)部件寿命长，降低维护费用。如GE和Allison联合开发并验证了空心CMC材料高压涡轮导向器叶片，该叶片质量比镍基高温合金导向器叶片减轻50％。在中国商飞C919上装配的由CFM公司设计制造的Leap-X发动机，其高压涡轮一级外环、低压涡轮导向叶片以及尾锥等核心热端部件也均采用了CMC材料，使得该发动机更有效地降低噪声并提高推进效率。在CMC材料中，编织结构纤维增韧的CMC材料由于纤维束在空间交织排布，具有优异的力学性能及耐热性能。将编织结构CMC材料应用于涡轮叶片及燃烧室火焰筒等航空发动机高温薄壁构件时，为了确保其安全可靠工作，需要建立编织结构CMC材料薄壁构件的热分析方法，准确预估其温度场。对于CMC材料来说，由于内部增韧纤维本身的各向异性以及纤维和基体的导热系数存在差异性，导致材料整体的导热系数往往表现出各向异性，传统基于均质金属材料的热分析方法不再适用，需要建立对应的等效导热系数预估模型。目前在针对编织结构CMC材料开展导热系数及温度场预估的研究中(JiangLL,XuGD,ChengS,etal.Predictingthethermalconductiivtyandtemperaturedistributionin3Dbraidedcomposites.CompositeStructures,2014,108:578-583)，大多采用RVE模型的方法，即假设材料内部满足周期性的条件，在内部微观结构选取一个空间重复最小单元，根据其计算得到的等效导热系数表征材料整体的热物性参数。例如Siddiqui等基于RVE模型的有限元方法研究了2维编织复合材料的等效导热系数，研究中基于电镜测试获取材料的微观结构特征参数，建立的最小重复单元周期RVE模型的几何尺寸为0.862×0.862×0.5mm(M.O.R.Siddiqui,D.M.Sun,Finiteelementanalysisofthermalconductivityandthermalresistancebehaviorofwovenfabric,ComputationalMaterialsScience,75(2013)45-51)。Ai等针对3维编织结构的C/C复合材料，建立了尺寸为1.96×1.96×0.76mm的RVE模型，研究材料的各向异性导热系数，并通过试验测试验证了预估模型的精度(S.G.Ai,R.J.He,Y.M.Pei,Anumericalstudyonthethermalconductivityof3DwovenC/Ccompositesathightemperature,AppliedCompositeMaterials,22(2015)823-835)。Fang等建立了几何尺寸为2.724×2.724×5.843mm的RVE模型，计算模拟了3维4向编织结构复合材料的等效导热系数，结果表明计算模拟和试验测试得到的导热系数相对误差约为10％(W.Z.Fang,L.Chen,J.J.Gou,W.Q.Tao,Predictionsofeffectivethermalconductivitiesforthree-dimensionalfour-directionalbraidedcompositeusingthelatticeBoltzmannmethod,InternationalJournalofHeatandMassTransfer,92(2016)120-130)。上述研究中建立的最小重复单元周期RVE模型的厚度大约在1mm-3mm左右，而将这些编织结构复合材料应用于涡轮叶片等航空发动机高温部件时，这些薄壁构件的壁面厚度大约在2-3mm左右。对于这些薄壁结构，周期假设不再成立，简单RVE周期单胞模型不能很好地表征薄壁构件的内部结构特征。同时根据文献(DongWF,XiaoJ,LiY.Finiteelementanalysisofthetensilepropertiesof2.5Dbraidedcomposites.MaterSciEngA,2007,457:199-204)的研究成果，当内部编织结构不同时，材料的宏观物性参数会发生明显改变。因此，简单地采用周期RVE模型预估编织结构CMC材料薄壁构件的等效导热系数及温度场，可能会导致一定的误差。因此需要在获取材料微观结构特征的基础上，探究薄壁构件尺度效应对CMC材料导热系数及温度场预估的影响机制，建立适用于涡轮叶片等高温薄壁构件的编织结构CMC材料各向异性导热系数模型。
技术实现思路
本专利技术针对编织CMC材料在高温薄壁构件应用中对其各向异性等效导热系数进行预估的需求，考虑到目前常采用的基于内部周期性结构单元的RVE模型在涡轮叶片等薄壁结构热分析中应用时，在壁面厚度方向难以满足周期性假设，使得RVE方法在复合材料热特性研究，包括导热系数预估等方面仍存在着一定的不足，尚不能满足CMC叶片热分析建模的需求。本专利技术提供了一种基于全尺寸微观结构模型的编织CMC材料薄壁构件等效导热系数预估方法，该方法能够根据高温薄壁构件的实际厚度，建立厚度方向的全尺寸模型，并基于该模型开展等效导热系数预估，获得更加接近实测值的编织CMC材料厚度方向等效导热系数。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于全尺寸微观结构模型的编织CMC材料薄壁构件等效导热系数预估方法，包括以下步骤：步骤一：对编织CMC材料开展微观结构测试，获取纤维束截面尺寸、间距及材料编织角度的几何特征；步骤二：根据步骤一中获取的几何特征，结合编织CMC材料的实际厚度，建立编织结构的全尺寸微观结构模型；步骤三：将全尺寸本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于全尺寸微观结构模型的编织CMC材料薄壁构件等效导热系数预估方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤一：对编织CMC材料开展微观结构测试，获取纤维束截面尺寸、间距及材料编织角度的几何特征；/n步骤二：根据步骤一中获取的几何特征，结合编织CMC材料的实际厚度，建立编织结构的全尺寸微观结构模型；/n步骤三：将全尺寸微观结构模型导入Comsol Multiphysics软件，对全尺寸微观结构模型的基体、轴向纤维束及编织纤维束，进行热物性参数赋值；/n步骤四：针对全尺寸微观结构模型，进行网格划分，在纤维束内部及纤维束与基体交界的区域进行网格局部加密；/n步骤五：对全尺寸微观结构模型上下表面给定温边界条件，四周给周期边界条件，进而开展温度场的有限元计算；/n步骤六：根据全尺寸微观结构模型有限元计算结果，获得厚度方向的平均热流密度，结合计算模型的厚度及边界温度差值，根据傅里叶公式计算获得编织CMC材料薄壁构件厚度方向的等效导热系数。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于全尺寸微观结构模型的编织CMC材料薄壁构件等效导热系数预估方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：对编织CMC材料开展微观结构测试，获取纤维束截面尺寸、间距及材料编织角度的几何特征；
步骤二：根据步骤一中获取的几何特征，结合编织CMC材料的实际厚度，建立编织结构的全尺寸微观结构模型；
步骤三：将全尺寸微观结构模型导入ComsolMultiphysics软件，对全尺寸微观结构模型的基体、轴向纤维束及编织纤维束，进行热物性参数赋值；
步骤四：针对全尺寸微观结构模型，进行网格划分，在纤维束内部及纤维束与基体交界的区域进行网格局部加密；
步骤五：对全尺寸微观结构模型上下表面给定温边界条件，四周给周期边界条件，进而开展温度场的有限元计算；
步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：屠泽灿，毛军逵，赵陈伟，吴昕宇，邱鹏霖，韩省思，贺振宗，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32