[发明专利]基于FDTD的碳纤维复合材料辐射特性数值模拟方法

权利要求书

1.一种基于FDTD的碳纤维复合材料辐射特性数值模拟方法，其特征在于：所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、使用FDTD Solution软件对材料模型进行模拟仿真，通过软件模拟出碳纤维及其复合材料的结构；

步骤二、设定仿真区域并得到不同光波长度下的吸收截面、散射截面、吸收因子、散射因子的参数；

步骤三、整理得到的吸收截面、散射截面、吸收因子、散射因子的多组参数数据，并将多组数据进行对比，通过观察曲线的趋势分析各因素对碳纤维及其复合材料辐射特性的影响；

步骤四、采用时域有限差分法，模拟计算，吸收截面、散射截面、吸收因子、散射因子来得出吸收散射能量占入射能量的比例，从而计算出碳纤维的辐射特性；

步骤五、在通过对这些分析，得到碳纤维复合材料的结构对其辐射特性的影响；

步骤六、通过碳纤维的疏密程度对辐射特性的影响、基底对碳纤维复合材料的辐射特性影响、三维乱序结构排布对碳纤维辐射特性的影响、碳纳米管对碳纤维辐射特性的影响，进行碳纤维及其复合材料的热防护性能改善；

步骤六所述的进行碳纤维及其复合材料的热防护性能改善通过以下方式：

第1，模拟碳纤维疏密程度变化对辐射特性的影响，进行热防护性能改善：

设定碳纤维的纵向是平行的，将其结构体XY方向的截面简化为随机分布的圆形，设计算的结构体XY方向的截面面积不变，用简化的圆形数量表示碳纤维的数量，圆形数量的多少即表示碳纤维的疏密程度，利用FDTD Solution软件进行仿真计算分析，通过orgin软件处理数据，模拟碳纤维的疏密程度变化对其辐射特性的影响；

第2，模拟不同的基底对碳纤维复合材料的辐射特性影响，进行热防护性能改善：

根据不同基质的折射率，将其输入在FDTD Solution软件的材料库中，基于麦克斯韦方程，结合时域有限差分法，通过全场/散射场的方法，引入平面光源计算指定波长下碳纤维的散射截面、吸收截面、散射因子、吸收因子，模拟碳纤维是纵向平行的情况下，不同的吸收基质对其辐射特性的影响；

第3，模拟三维乱序结构排布对碳纤维辐射特性的影响，进行热防护性能改善：

在仿真中将碳纤维简化成圆柱体，模拟碳纤维纵横交错状态模型，通过计算分析这种状态下碳纤维的辐射特性；

第4，模拟碳纳米管对碳纤维辐射特性的影响，进行热防护性能改善：

建立碳纤维表面涂覆碳纳米管的结构模型，进行模拟仿真，分析碳纳米管对碳纤维辐射特性的影响。

2.根据权利要求1所述基于FDTD的碳纤维复合材料辐射特性数值模拟方法，其特征在于：所述的基于麦克斯韦方程，模拟不同的吸收基质对其辐射特性的影响的过程为，麦克斯韦方程组既有微分形式又有积分形式，其中微分形式基本可以表征大部分电磁学基本原理，由于微分形式本身的特点，它可以计算微小物体复杂结构的电磁现象，形式如下：

▽·B＝0

▽·D＝ρ

式中，各项表示如下：E为电场强度，D为电通量密度，H为磁场强度，B为磁通量，J为电流密度；

用麦克斯韦方程组计算波的传播过程之前，利用物质方程将麦克斯韦方程和物质属性联系起来，表示如下：

D＝εE

B＝μH

J＝σE

式中，各项表示如下：ε为介电常数，μ为介质磁导率，σ为电导率；

将麦克斯韦方程写成直角坐标的形式后，用FDTD对麦克斯韦方程组进行求解，从而可以得到所需的物理量；把式的最后两个方程改写成直角坐标的形式，其形式如下：