氧化环境中单向C/SiC复合材料细观应力的检测方法

摘要

本发明涉及一种氧化环境中单向C/SiC复合材料细观应力的检测方法，用于解决现有的单向C/SiC复合材料细观应力的检测方法应力分析准确度差的技术问题。技术方案是应用氧化反应动力学方程模拟微结构氧化过程，得到了复合材料微结构在不同氧化时刻下的几何模型；建立氧化后的微结构有限元模型，进行细观应力的有限元计算，从建模到计算的整个过程简洁高效，克服了实验方法成本高、耗时长的缺点；借助于ANSYS强大的后处理功能，准确的显示细观应力场在氧化后复合材料微结构内的复杂分布，提高了单向C/SiC复合材料细观应力的检测方法应力分析的准确度，解决了细观力学模型精度低、缺乏应力分布准确描述的问题。

主权项

1.一种氧化环境中单向C/SiC复合材料细观应力的检测方法，其特征在于包括下述步骤：(a)根据已知的单向C/SiC复合材料的周期性微结构几何参数以及各组分材料性能，构建初始状态下的单向C/SiC复合材料周期性微结构的二维网格模型；网格模型包含孔隙网格、碳纤维束网格、碳界面网格和碳化硅基体网格；(b)对于碳-氧气反应界面上的含碳网格，有如下的氧化反应动力学方程：              K_INCt＝ρ_IΔx/M_I，K_FNCt＝ρ_FΔx/M_F    (1)式中，K_I是碳界面的氧化反应速率常数，ρ_I是碳界面的密度，N_I是碳界面的摩尔质量，K_F是碳纤维束的氧化反应速率常数，ρ_F是碳纤维束的密度，M_F是碳纤维束的摩尔质量；C是碳-氧气反应界面处的氧气浓度；N是该含碳网格相邻的孔隙网格的个数；Δx是网格的边长；t是氧化反应时间；其中，碳纤维束的氧化反应速率常数K_F、碳界面的氧化反应速率常数K_I由以下公式计算：$K_F=6452.35\exp (-E_a^F/\mathrm{RT}),$K_I＝10K_F    (2)式中，是碳纤维束的氧化反应活化能；T是环境温度；R是气体普适常数，R等于8.3145J/mol·K；反应面的氧气浓度由以下公式计算：                              C＝P/RT                  (3)P是空气中的氧气分压；由式(1)计算得到完全消耗碳界面、碳纤维束网格内的碳所需反应时间分别为：                 t＝ρ_IΔx/M_IK_INC，t＝ρ_FΔx/M_FK_FNC    (4)以公式(1)、(4)为基础，迭代模拟指定氧化时间内的微结构氧化过程，建立相应的氧化后的微结构二维网格模型，具体迭代过程包括如下三步：第一步：针对反应界面上所有含碳网格，采用式(4)计算各网格内的碳被完全氧化消耗所需要的时间；第二步：在第一步计算得到的全部时间中，选取一个最短时间作为时间步长代入到氧化反应动力学方程即式(1)，计算出反应界面上所有含碳网格在该时间步长内的氧化消耗情况，完全消耗的含碳网格将被孔隙网格替换，没有完全消耗的含碳网格依然保持其原有的材料属性，网格内的碳的含量要减去氧化消耗的量；第三步：重复第一步和第二步，直到累加的时间步长达到指定的氧化时间，得到该时刻的微结构二维网格模型；(c)对氧化后的二维网格模型的孔隙边界进行光顺化处理，将锯齿形的空隙边界转化为光滑的曲线，得到氧化后的微结构二维剖面模型，以氧化后的微结构二维剖面模型为基础，采用有限元软件ANSYS生成氧化后的微结构三维有限元模型；(d)对微结构三维有限元模型施加周期性位移边界条件，保证外界载荷作用下的复合材料应力应变场的周期性和连续性；(e)对微结构三维有限元模型施加载荷边界条件，采用有限元软件ANSYS进行有限元分析计算，得到微结构内的细观应力场分布。