一种陶瓷基复合材料铺层预制体优化设计方法技术

本发明专利技术提出了一种陶瓷基复合材料铺层预制体优化设计方法，综合考虑了构件强度要求、几何外形及铺层预制体特性，基于相应力学公式对组成预制体的各铺层纤维体积分数、铺层内纤维方向进行了优化，进而优选出了各铺层细观结构，实现了充分发挥材料性能的目的，适用于多种陶瓷基复合材料构件的优化设计。

【技术实现步骤摘要】
一种陶瓷基复合材料铺层预制体优化设计方法
本专利技术属于陶瓷基复合材料设计领域，具体涉及一种陶瓷基复合材料铺层预制体优化设计方法。
技术介绍
陶瓷基复合材料是以陶瓷作为基体并与多种纤维复合而成的一类先进复合材料，其密度仅为高温合金的1/3～1/4，是应用于高推重比航空发动机热端部件的首选材料。然而，陶瓷基复合材料是一种典型的非均质各向异性多相材料，其预制体结构对宏观力学性能的影响很大。若预制体结构设计得不合理，不仅无法发挥材料的最优性能，甚至不能满足最基本的设计要求。现有技术只是对构件宏观外形进行了适应陶瓷基复合材料特性的修改，仅考虑了如何利用增强纤维成型为所需要的宏观结构，而并未对预制体结构进行优化。如中国专利CN201711371076.5《一种陶瓷基复合材料涡轮转子叶片》，该专利技术虽然考虑了很多宏观的封严结构，但并没有叶身核心预制体结构的详细设计方案；又如中国专利CN201810612357.3《一种陶瓷基涡轮转子叶片预制体的设计方法》，该方法虽然给出了一种涡轮转子叶片的铺层预制体设计方案，但该方案并未给出各铺层的纤维体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种陶瓷基复合材料铺层预制体优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1：基于陶瓷基复合材料构件宏观模型的强度分析结果，建立铺层预制体结构的初步设计方案；/n步骤2：对步骤1的铺层预制体结构进行有限元强度分析，得到各个有限元单元相应的第一主应力、正应力和切应力；/n步骤3：根据步骤2得到的应力结果，计算各个有限元单元第一主应力与基准直角坐标系的夹角；/n步骤4：利用步骤3中得到的各个有限元单元的夹角信息，改变各个有限元单元的单元坐标系，使得各个有限元单元的材料主方向与第一主应力方向一致；/n步骤5：利用复合材料混合定律计算各个有限元单元的材料参数数据；/n步骤6：根据步骤5得到的各个...

【技术特征摘要】
1.一种陶瓷基复合材料铺层预制体优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：基于陶瓷基复合材料构件宏观模型的强度分析结果，建立铺层预制体结构的初步设计方案；
步骤2：对步骤1的铺层预制体结构进行有限元强度分析，得到各个有限元单元相应的第一主应力、正应力和切应力；
步骤3：根据步骤2得到的应力结果，计算各个有限元单元第一主应力与基准直角坐标系的夹角；
步骤4：利用步骤3中得到的各个有限元单元的夹角信息，改变各个有限元单元的单元坐标系，使得各个有限元单元的材料主方向与第一主应力方向一致；
步骤5：利用复合材料混合定律计算各个有限元单元的材料参数数据；
步骤6：根据步骤5得到的各个有限元单元的材料参数数据，对步骤1的铺层预制体结构再次进行强度分析，若不满足强度要求则返回步骤1重新对铺层预制体结构进行设计；
步骤7：根据复合材料混合定律的横向强度计算公式，结合步骤6得到的强度分析结果，选择各铺层适宜的细观结构类型。


2.如权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料铺层预制体优化设计方法，其特征在于：所述步骤1中，对陶瓷基复合材料构件宏观模型进行有限元强度分析，提取应力分布边界区域的单元位置信息，将该信息导入宏观模型中并进行体现，据此对陶瓷基复合材料构件进行铺层预制体结构的初步设计。


3.如权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料铺层预制体优化设计方法，其特征在于：所述步骤2中，得到各个有限元单元相应的第一主应力σ1，正应力σx和σy，切应力τyx、τzx和τzy，σx、σy分别表示X轴和Y轴方向的正应力，τyx表示方向垂直于Y轴平行于X轴的切应力，τzx表示方向垂直于Z轴平行于X轴的切应力，τzy表示方向垂直于Z轴平行于Y轴的切应力，X、Y、Z分别为基准直角坐标系的三个坐标轴。


4.如权利要求3所述的一种陶瓷基复合材料铺层预制体优化设计方法，其特征在于：所述步骤3中，利用如下的一点应力状态公式得到各个有限元单元第一主应力方向与基准直角坐...

【专利技术属性】
技术研发人员：高希光，刘晨阳，宋迎东，张盛，董洪年，于国强，董成乾，
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