[发明专利]陶瓷基复合材料结构中的气体扩散及氧化演化计算方法

说明书

本发明陶瓷基复合材料结构中的气体扩散及氧化演化计算方法，包括以下步骤：确定结构件中的温度、载荷分布；确定结构中的基体裂纹分布；基于基体裂纹分布，建立纤维束尺度的等效扩散系数模型，预测纤维束中的气体流通通道；对通道中的气体扩散总量进行平均，建立基体裂纹分布相关的纤维束复合材料尺度等效扩散系数模型；建立RVE模型；建立RVE尺度的等效扩散系数模型，计算结构中的气体浓度和氧化产物分布；计算各单元中裂纹、孔隙处的氧化物生长厚度；更新气体通道的填封情况，再次计算新的等效扩散系数场和氧化产物分布。本发明预测了陶瓷基复合材料结构内部不同尺度的气体通道演化情况；实现了通道差异引起的结构内部气体浓度分布的变化计算。

技术领域

本发明属于陶瓷基复合材料氧化分析领域，具体涉及一种编织陶瓷基复合材料结构氧化的计算方法，特别是考虑结构内部气体浓度分布差异引起氧化生成物分布不均的氧化演化及气体浓度分布的计算方法。

背景技术

陶瓷基复合材料(CMCs)因在高温下具有优异的力学性能而在航空发动机热端部件领域有广泛的应用前景。在服役过程中陶瓷基复合材料结构件将受到高温、应力、氧化的耦合作用，导致结构强度降低。实现高温环境下CMCs结构的氧化计算，获得氧化后的形貌，可以为氧化后剩余力学性能计算提供初始参数，是CMCs结构氧化后强度分析、寿命预测的基础。

为将陶瓷基复合材料可靠地应用于工程实际，国内外许多学者针对应力氧化环境下陶瓷基复合材料的氧化行为展开了研究。目前，现有的方法多为材料级别的氧化动力学分析，对陶瓷基复合材料结构级的氧化研究未见公开。如：《一种应力水蒸气环境下单向陶瓷基复合材料内部氧化形貌预测方法》(中国专利CN110246548A)公开了一种应力水蒸气环境下单向陶瓷基复合材料内部氧化形貌预测方法。《一种应力氧化环境下陶瓷基复合材料内部氧化形貌预测方法》(中国专利CN111243681A)公开了一种应力氧化环境下单向SiC/SiC复合材料内部氧化形貌预测方法，考虑了C界面的氧化缺口形貌变化。

上述方法主要基于氧化动力学模型计算CMCs材料级别的氧化，需事先确定材料与氧化环境接触表面的环境参数(如：温度、压力、气体浓度等)。但由于实际CMCs结构中内部基体裂纹和纤维束间孔隙分布存在差异，因而存在各个不同尺度的氧化气体通道。这种现象导致结构内各点处的气体浓度并不相同，因此氧化程度也不相同。基于现有的材料级模型，难以确定结构内部各点处的气体浓度，也就无法预测反应扩散过程中结构件内部的氧化产物分布。因此，有必要提供一种编织陶瓷基复合材料结构氧化的计算方法，解决由于扩散通道差异引起的气体分布问题，实现CMCs结构级的氧化计算。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提出了陶瓷基复合材料结构中的气体扩散及氧化演化计算方法。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

陶瓷基复合材料结构中的气体扩散及氧化演化计算方法，包括以下步骤：

步骤1：确定结构件中的温度、载荷分布；

步骤2：确定结构中的基体裂纹分布：根据步骤1的温度场、应力场，基于基体开裂模型，计算结构中温度、应力相关的基体裂纹密度ρ_crack、基体裂纹宽度d_crack；

步骤3：基于基体裂纹分布，建立纤维束尺度的等效扩散系数模型，预测纤维束中的气体流通通道；基于基体裂纹分布，考虑在轴向长度为L的纤维束复合材料中，其基体裂纹宽度为d_crack，基体裂纹密度为ρ_crack，对通道中的气体扩散总量进行平均，建立基体裂纹分布相关的纤维束复合材料尺度等效扩散系数模型；

步骤4：建立编织陶瓷基复合材料代表性体积单元模型，即RVE模型；对结构件所用的编织CMCs细观结构XCT扫描图像进行图像识别，经纱走向采用余弦函数进行描述，纬纱则以直线形式描述，观测获取几何参数，建立对应的RVE模型；