[发明专利]一种轻量化耐火材料随机非均质连续模型的构建方法

说明书

本发明提供了一种轻量化耐火材料随机非均质连续模型的构建方法。通过定义并输入基本参数，再利用伪随机数发生器在模型有效尺寸内生成骨料中心点的随机坐标，在各骨料之间不相交的条件下建立球形骨料随机分布的有限元模型；再根据轻量化耐火材料骨料高气孔率及高异质性的特征，利用双参数韦伯分布确定骨料元素组中各组分的含量，并通过循环投放实现骨料元素组的非均质化，从而建立随机非均质连续有限元模型。通过上述方式，本发明建立的随机非均质连续模型能够满足骨料生成随机性的要求，更加符合轻量化骨料的真实细观结构，以便为耐火材料服役寿命预测及材料设计优化提供依据，具有较高的应用价值。

技术领域

本发明涉及耐火材料数值模拟技术领域，尤其涉及一种轻量化耐火材料随机非均质连续模型的构建方法。

背景技术

节能减排是我国国民经济可持续健康发展的关键，而高温工业的能耗约占总能耗的50％，被列为国家重点节能领域。在针对高温工业的节能减排措施中，以轻量化耐火材料替代致密耐火材料作为高温工业窑炉内衬材料，不仅能够通过减小导热系数，降低高温炉体散热，还能够通过降低材料体积密度，减少耐火材料资源和热工过程中动力的消耗，达到较好的节能减排效果。

然而，轻量化耐火材料在温度波动的高温环境下服役，其轻量骨料内物相组成、含量、孔径分布以及界面等微结构对热应力分布以及材料性能(如导热系数、力学性能等)的影响很复杂，传统的实验方法难以表征其细观尺度的服役行为。而建立合适计算模型进行有限元模拟，可以直观准确地预测和评价轻量化耐火材料在服役过程中的损毁行为，建立细观结构与宏观性能之间的关系，对开发新一代轻量化耐火材料，不断满足高温工业节能减排需求具有重要的意义。

目前，国内外学者已成功将有限元模拟方法应用于冶金炉衬设计及致密耐火材料设计，但针对轻量化耐火材料的数值模拟工作尚未开展。在以往的有限元模型中，致密耐火材料整体常被简单地均一化，或者模型被简化为单一组分的致密骨料随机分散在均质基质中，骨料仅作为不可破损的增强结构参与断裂。然而，轻量化耐火材料是一个更加复杂的跨尺度、多相、非均质复合材料，简单的均一化的方式并不适用于轻量化耐火材料的数值模拟工作。

有鉴于此，有必要开发一种符合轻量化耐火材料细观结构特征的有限元模型，真实地模拟其服役性能，以解决上述问题。

发明内容

针对上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种轻量化耐火材料随机非均质连续模型的构建方法。根据骨料在基质中的分布特征，建立球形骨料随机分布有限元模型；并根据轻量化骨料的高气孔率及高异质性的微结构特征确定组分相的性质及含量，建立随机非均质连续有限元模型，以满足骨料生成随机性的要求，使构建的模型与轻量化骨料的真实细观结构更加符合，以便用于模拟轻量耐火材料的服役性能以及细观结构与宏观性能间的关系，为耐火材料服役寿命预测及材料设计优化提供依据。

为实现上述目的，本发明提供了一种轻量化耐火材料随机非均质连续模型的构建方法，包括如下步骤：

S1、根据骨料在基质中的分布特征，建立球形骨料随机分布有限元模型；

S2、根据轻量化骨料的微结构特征，确定步骤S1得到的所述球形骨料随机分布有限元模型中元素组内各非均质组分相的性能及含量，建立随机非均质连续有限元模型。

作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，所述骨料在基质中的分布特征符合Alfred粒径分布曲线，并属于最紧密堆积模式，骨料在基质中的粒径分布情况满足如下公式：

其中，d为骨料的任一粒径值，R为直径超过d的骨料含量，为最大骨料直径，为最小骨料直径，n为堆积常数。

作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，所述建立球形骨料随机分布有限元模型具体包括如下步骤：

S11、定义用于存储参数的数组，并输入所述参数；