[发明专利]一种多重判据的纤维增韧复合材料跨尺度热分析等效方法

说明书

本发明多重判据的纤维增韧复合材料跨尺度热分析等效方法，步骤如下：建立随机代表性单元，在单元内部利用Monte‑Carlo法使得CMC纤维增强相随机分布；多次建立PRVE(Probabilistic Representative Volume Element，概率统计代表性单元)并对其进行有限元仿真，得到复合材料等效导热系数、材料温度梯度场及热流密度场等热物理量的统计数据；再次调整PRVE尺寸，在满足热物理量的均值、方差以及交叉熵等多重收敛判据后，确定临界PRVE尺寸，获得复合材料等效导热系数、温度梯度场以及热流密度场的分布，建立微观结构和宏观特性间对应关系。本发明充分考虑复合材料内部的非均质特性以及存在的物性分散性，为复合材料热分析中如何确定临界PRVE尺寸提供了判定依据，能够更加精确地建立微观结构和宏观特性间对应关系。

技术领域：

本发明涉及一种多重判据的纤维增韧复合材料跨尺度热分析等效方法，其属于工程热物理技术领域。

背景技术：

随着工业技术的发展，各类复合材料在各种工业领域中得到了广泛的应用，在航空航天领域中尤为突出。以陶瓷基复合材料为例，它作为一种非金属材料，跟一般常用金属材料、高分子材料相比，具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀等优异性能，因此越来越受到大家的重视。然而陶瓷材料受限于其脆性的缺点，在发动机涡轮等受力结构部件上使用时，缺乏足够的强度和可靠性，无法直接应用。目前，通过在陶瓷材料中加入第二相材料，利用增韧的方式来改善陶瓷的脆性已经成为最有效的途径之一，纤维增韧陶瓷基复合材料克服了陶瓷材料脆性大的缺点，具有类似金属的断裂行为。另外，陶瓷基复合材料密度低，仅为镍基合金的1/4～1/3，使用到航空发动机部件上，可以大幅减轻重量。

但是高温环境会使陶瓷基复合材料发生氧化，致使纤维变细，强度下降，增韧效果减弱，因此陶瓷基复合材料部件的热分析一直是国内外各类陶瓷基复合材料研究，尤其是航空发动机高温部件应用中的关键问题。

在复合材料的热分析中依据传热学中傅立叶定律，物质内部热量传输可以利用导热系数和温度梯度来描述。而由于材料具有非均匀、非均质特点，使得材料内部热流方向复杂多变，给等效宏观导热系数的试验测试带来很大难度，同时等效方式的不同也使得导热系数测试结果存在一定的差异。显然热分析中如果直接利用这些实验测试值，将很难充分体现出非均匀、非均质材料内部热量传输特征，所以目前复合材料热分析中通常会采用导热系数预估模型，而高精度的热物性参数预估方法显得尤为重要。