[发明专利]激光烧蚀纤维增强复合材料仿真建模方法

说明书

本发明公开了一种激光烧蚀纤维增强复合材料仿真建模方法，首先根据实际的SiC/SiC尺寸，建立三维复杂温度场模型；然后借助有限元仿真软件的网格划分功能完成对三维复杂温度场模型的网格划分；对SiC/SiC基体和纤维的材料基本属性进行定义；对模型的参数进行定义，最后，改变激光光斑的位置，得出激光烧蚀SiC/SiC时对应的温度场特征的变化规律。本发明解决了现有技术中存在的无法准确把握加工时材料内部的特征变化和传热规律的问题。

技术领域

本发明属于激光烧蚀温度场仿真技术领域，具体涉及一种激光烧蚀纤维增强复合材料仿真建模方法。

背景技术

航空航天产业的技术实力是国家工业领域发展的核心，航空发动机是航空航天事业发展的关键所在。目前，发动机推重比达到10级的涡轮前端进口温度已经达到1500℃，推重比15-20级以上的发动机涡轮进口温度可达2227-2470℃，但高温合金的最高工作温度为1100℃左右。常规单一材料难以满足新型航空发动机的服役要求，新型复合材料的各成分共同作用，使其具备优于常规单一材料的性能，在恶劣环境中被广泛使用。碳化硅纤维强化碳化硅陶瓷基复合材料(SiC/SiC)是以高弹性、高强度的碳化硅纤维作为与其材料相近的基体的增强相，既具备低密度、耐高温、抗腐蚀、高强度、轻质量等优点，又因为SiC纤维的增韧和增强作用有效地克服了传统陶瓷材料塑性差，易断裂的缺点，在航空航天、国防工业、高端汽车等领域具有广阔的发展前景，特别是在航空发动机燃烧室、涡轮定转子叶片、导轨前叶等部位。

SiC/SiC主要是由SiC涂层、SiC基体、具有层状晶体结构的热解碳界面层和SiC纤维组成，且编织结构中存在一些微小的孔，这种非均匀、非均质的材料特性和纤维本身热传导系数等热物性参数具有明显的各项异性，使SiC/SiC在激光加工过程中会产生不同于其他均质材料的效果。同时，由于激光与SiC/SiC材料相互作用时会产生热效应，从而出现影响加工质量的情况，如热影响区、氧化、基体破坏、分层、纤维断裂等，对零件的力学性能有较大影响，同时会减少零件的使用寿命和服役时间。SiC/SiC内部结构具有复杂且特殊的性质，单纯的依靠实验和测试设备无法准确地把握加工时材料内部的特征变化和传热规律。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光烧蚀纤维增强复合材料仿真建模方法，解决了现有技术中存在的无法准确把握加工时材料内部的特征变化和传热规律的问题。

本发明所采用的技术方案是，激光烧蚀纤维增强复合材料仿真建模方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、根据实际的SiC/SiC尺寸，建立三维复杂温度场模型；

步骤2、借助有限元仿真软件的网格划分功能完成对三维复杂温度场模型的网格划分；

步骤3、对SiC/SiC基体和纤维的材料基本属性进行定义；

步骤4、对模型的参数进行定义；

步骤5、改变激光光斑的位置，得出复激光烧蚀SiC/SiC时对应的温度场特征的变化规律。

本发明的特点还在于，

步骤1中三维复杂温度场模型如下：

平面尺寸为：2×2cm，单条纤维束的椭圆截面尺寸为：a＝0.2mm，b＝0.8mm，模型中使用0/90度2.5D平纹编织工艺成型纤维预制体，z向和x向都均匀分布7条纤维束；建立的三维模型满足初始条件T_ext＝293.15K，且相应的边界条件满足：

q₀＝h(T_ext-T) (4)

其中，q₀为对流热通量，h表示传热系数，T_ext为外部环境温度，T为温度场。

步骤2具体如下：