编织防热材料考虑物性演变的传热及力学特性确定方法与流程

1.本发明涉及一种编织防热材料考虑物性演变的传热及力学特性确定方法，属于飞行器热防护技术领域。


背景技术：

2.飞行器的热防护技术的发展经历了几个过程，最初为热沉式热防护，利用金属的热沉吸热来阻隔热量，但是随着气动加热的严重，已经不能满足要求。后来发展出烧蚀热防护方式，利用材料的蒸发、熔化、升华以及化学反应等来吸收热量，烧蚀热防护由于其高效的热防护效果在再入卫星、飞船等上得到了广泛的应用。传统的烧蚀热防护材料防热效果较好，但是力学性能常常不能满足要求，特别是材料热解碳化后的强度较弱，容易发生力学剥蚀等，因此近年来在飞行器返回舱大底等气动加热较为严酷的区域，采用编织复合材料，相比于传统的烧蚀热防护材料，其力学性能大大增强。
3.防热材料在气动加热条件下，由于其自身及与空气中的氧化反应，材料的物性参数会发生显著的变化，因此整体材料的传热特性及力学特性会发生变化。近年来，运用细观力学的方法对材料的传热及力学特性进行预测，得到了较为实用的结果，然而，大多数都针对常温及低温下的材料等效物性参数进行预测，对于烧蚀防护材料来说，不得不考虑其物性参数在气动加热过程中的变化过程，因此，运用细观力学建模的方法，通过考虑材料物性参数的变化过程，对材料的等效传热及力学特性的演变规律进行探索，具有较为重大的工程意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种编织防热材料考虑物性演变的传热及力学特性确定方法，解决了现有技术中无法对平面编织防热材料考虑气动加热条件下物性参数演变的传热及力学特性进行精确预测的问题。
5.本发明的技术解决方案是：一种编织防热材料考虑物性演变的传热及力学特性确定方法，包括以下步骤：
6.1)根据平面编织防热材料的密度，基体密度、纤维的密度、基体的质量百分数和纤维的质量百分数，确定平面编织防热材料的孔隙率及基体体积分数；
7.根据平面编织防热材料的孔隙率和基体的体积分数，确定孔隙在基体中的体积分数；
8.2)将孔隙等效为球形，将基体等效为立方体；令球形在立方体中的体积分数等于孔隙在基体中的体积分数，获得基体孔隙尺度下的有限元模型；
9.3)对基体孔隙尺度下的有限元模型，进行网格划分并对基体及孔隙中的空气设置不同温度下的热导率，施加不同温度下的温度梯度边界条件，求解获得基体孔隙尺度下的有限元模型在不同温度下的等效热导率；
10.对基体及孔隙中的空气设置不同温度下的弹性模量及泊松比，施加力边界条件以
及位移约束，求解获得基体孔隙尺度下的有限元模型在不同温度下的等效弹性模量和泊松比；
11.4)对平面编织防热材料进行微结构观测，获得纤维尺度下的微结构图像，基于纤维尺度下的微结构图像对微结构尺寸及分布规律进行统计分析获得纤维尺度结果；
12.将单根纤维等效为圆柱结构，将圆柱结构设置在六边形基体中，从而获得纤维尺度下的六边形有限元模型；同时，将圆柱结构设置在四边形基体中，从而获得纤维尺度下的四边形有限元模型；
13.其中，六边形基体为截面为六边形的柱状结构，四边形基体为截面为正方形的长方体结构；
14.5)分别对六边形有限元模型和四边形有限元模型进行网格划分；
15.对纤维设置不同温度下的热导率，对四边形基体和六边形基体分别设置步骤3)中获得的基体在不同温度下的等效热导率，施加不同温度下的温度梯度边界条件和周期性边界条件，分别求解获得纤维尺度下六边形有限元模型和四边形有限元模型在不同温度下的等效热导率；
16.对纤维设置不同温度下的弹性模量和泊松比，对四边形基体和六边形基体设置步骤3)中获得的基体在不同温度下的等效弹性模量和泊松比，施加力边界条件、位移约束和周期性边界条件，分别求解获得纤维尺度下六边形有限元模型和四边形有限元模型在不同温度下的等效弹性模量和泊松比；
17.6)对平面编织防热材料进行微结构观测，获得纤维束尺度下的微结构图像，基于纤维束尺度下的微结构图像对微结构尺寸及分布规律进行分析获得纤维束尺度结果；
18.将纤维束等效为截面椭圆形的柱状结构，柱状结构的轴线为波浪线；
19.将多个柱状结构设置在长方体基体中；
20.结合平移对称、镜面反射和旋转对称理论，获得纤维束尺度下模型；
21.纤维束尺度下模型，包括：全单胞模型、1/4单胞模型和1/16单胞模型；
22.7)分别对步骤6)获得的全单胞模型、1/4单胞模型和1/16单胞模型进行纤维束尺度网格划分；
23.对长方体基体设置步骤3)获得的基体等效热导率，对纤维束设置步骤5)获得的纤维等效热导率；沿铺层方向的两个端面施加不同温度下的温度梯度边界条件，其余四个面施加周期性边界条件，求解获得纤维束尺度下模型沿铺层方向在不同温度下的等效热导率；
24.对长方体基体设置步骤3)获得的基体等效弹性模量和泊松比，对纤维束设置步骤5)获得的纤维等效弹性模量和泊松比；沿铺层方向的两个端面施加力边界条件及位移约束，其余四个面施加周期性边界条件，求解获得纤维束尺度下模型沿铺层方向在不同温度下的等效弹性模量和泊松比。
25.步骤3)求解获得基体和孔隙在不同温度下的等效热导率，具体为：
26.孔隙尺度网格的尺寸等于d/50～d/30倍的球形孔隙直径；
27.在基体孔隙尺度下的立方体有限元模型的其中两对面施加不同温度下的温度梯度边界条件，在非传热的其余四个面施加周期性边界条件，使两对面对应位置网格节点的温度一致，求解获得基体和孔隙尺度在不同温度下的等效热导率。
28.步骤3)求解获得基体和孔隙在不同温度下的等效弹性模量和泊松比，具体为：
29.在基体孔隙尺度下的立方体有限元模型的其中两对面施加力边界条件和位移约束，在其余四个面施加周期性边界条件，使两对面对应位置网格节点的位移一致，求解获得基体和孔隙尺度在不同温度下的等效弹性模量和泊松比。
30.步骤4)和步骤6)中所述进行微结构扫描观测，具体为：
31.11)首先对编织防热材料进行切片，超声清洗、烘干处理，得到材料样品；切片方向垂直于内表面；
32.12)将材料样品放在喷金仪上进行喷金处理；
33.13)将喷金后的材料样品放在扫描电镜中进行观测，调整放大倍数及观测位置，得到材料微结构图像；
34.14)重复步骤13)多次，获得纤维尺度下和纤维束尺度下的微结构图像。
35.步骤4)中所述纤维尺度结果为：单根纤维截面尺寸、单根纤维在纤维束截面中的面积占比和分布规律。
36.所述步骤5)求解获得纤维尺度下六边形有限元模型和四边形有限元模型在不同温度下的等效热导率，具体为：
37.对四边形基体和六边形基体设置为步骤3)中获得的不同温度下的等效热导率；
38.分别对纤维尺度下六边形有限元模型和四边形有限元模型进行纤维尺度的网格划分，纤维尺度网格的尺寸等于d/3的纤维截面直径；
39.沿传热方向的上下两个面施加不同温度下的温度梯度边界条件，在非传热的四个面施加周期性边界条件，使两对面对应位置网格节点的温度一致，进行求解，运用傅立叶定律得到纤维尺度下六边形有限元模型和四边形有限元模型在不同温度下的等效热导率。
40.所述步骤5)求解获得纤维尺度下六边形有限元模型和四边形有限元模型在不同温度下的等效弹性模量和泊松比，具体为：
41.对四边形基体和六边形基体设置步骤3)中获得的基体在不同温度下的等效弹性模量和泊松比；
42.分别对纤维尺度下六边形有限元模型和四边形有限元模型进行纤维尺度的网格划分，纤维尺度网格的尺寸等于d/3的纤维截面直径；
43.沿力方向的上下两个面施加力边界条件和位移约束，在其余四个面施加周期性边界条件，使两对面对应位置网格节点的位移一致，进行求解得到纤维尺度下六边形有限元模型和四边形有限元模型在不同温度下的等效弹性模量和泊松比。
44.步骤6)中所述纤维束尺度结果包括：纤维束的宽度、厚度、层密、层间距、纬线中心距，纱线弯曲半径值。
45.步骤6)中所述波浪线的弯曲半径值与纤维束尺度结果中纱线弯曲半径值相同，椭圆形长半轴等于纤维束尺度结果中纤维束宽度的一半，椭圆形短半轴等于纤维束尺度结果中纤维束厚度的一半。
46.同一竖向截面，上下两相邻椭圆形截面中心的距离等于纤维束尺度结果中的层间距。
47.同一竖向截面，左右两相邻椭圆形截面中心的距离等于纤维束尺度结果中的纬线中心距。
48.所述步骤7)进行网格划分，具体为：
49.纤维束尺度网格的尺寸等于b/3，b为纤维束椭圆截面的短半轴长。
50.本发明与现有技术相比的优点：
51.(1)当前平面编织防热材料传热及力学特性的计算方法，要么是采用等效成均质材料，采用均质材料的参数进行传热及力学特性的计算，要么采用材料工艺探索及宏观传热及力学性能试验测试的方法，根据实验结果调整工艺，再进行生产和测试。这两种方法前者是不能对材料传热及力学性能进行准确估算，后者从工艺和实验角度，时间和成本都较高，无法便捷高效地对防热材料的传热及力学特性进行预测。基于此，本发明将细观微结构观测和统计分析与有限元建模相结合，对平面编织防热材料的传热及力学特性进行预测。
52.(2)传统针对防热材料的传热及力学特性预测问题，多只分析常温下的传热及力学特性，然而，材料在气动加热条件下要发生物性参数的变化，因此本文进行考虑材料物性参数的演变的传热及力学特性分析及等效热导率、弹性模量和泊松比预测。
53.(3)相对于已有的针对防热材料传热及力学特性的分析方法，本发明成本低，计算快，准确性高，通用性好，具备分析不同温度下防热材料传热及力学特性的能力。
附图说明：
54.图1本发明方法流程图。
55.图2基体-孔隙单胞模型图。
56.图3基体-孔隙尺度有限元模型及网格。
57.图4基体-孔隙尺度等效热导率预测结果。
58.图5基体-孔隙尺度等效弹性模量预测结果。
59.图6纤维尺度六边形分布单胞模型及有限元网格。
60.图7纤维尺度六边形分布等效热导率预测结果。
61.图8纤维尺度六边形分布等效弹性模量预测结果。
62.图9纤维尺度四边形分布单胞模型及有限元网格。
63.图10纤维尺度四边形分布等效热导率预测结果。
64.图11纤维尺度四边形分布等效弹性模量预测结果。
65.图12纤维束尺度不同单胞模型的选取。
66.图13纤维束尺度不同单胞模型网格。
67.图14纤维束尺度等效热导率预测结果。
68.图15纤维束尺度等效弹性模量预测结果。
具体实施方式
69.根据编织防热材料的应用需求和现状，针对当前防热材料传热及力学特性确定方法的不足之处，结合防热材料细观微结构特征，本发明提出了一种编织防热材料考虑物性演变的传热及力学特性确定方法。本发明分析对象为编织防热材料，其内表面通常与连接飞行器蒙皮的高效隔热材料相接，外表面和大气接触，由上千根单根纤维形成纤维束，纤维束进行编织形成单层编织铺层，多层铺层压合形成纤维束骨架，再浸渍树脂基体，形成编织纤维防热复合材料。
70.首先，针对给定的防热材料，制备微结构检测样品，由于防热材料是热和电的不良导体，因此在进行微结构检测前进行喷金操作，放入扫描电镜样品舱内进行微结构检测，取不同的放大倍数进行观测，以便获取不同尺度下的细观结构尺寸分布规律；然后，根据微结构观测及统计结果，建立不同尺度下传热及力学特性分析的有限元模型；最后，对所建模型加载不同温度下的热边界条件、力边界条件、位移约束及周期性边界条件进行求解，对所得结果进行处理，得到编织防热材料传热及力学特性的分析结果以及不同温度下材料等效热导率、弹性模量的预测结果。
71.本发明一种编织防热材料考虑物性演变的传热及力学特性分析系统，包括：样品制备及观测模块、微结构尺寸统计模块、模型生成模块、网格划分模块、加载边界条件模块和求解及后处理模块。
72.样品制备及观测模块：对编织防热材料进行不同尺度下的微结构扫描观测，获得不同尺度对应的编织防热材料的微结构图像；
73.微结构统计模块：根据微结构图像对纤维尺度下纤维的截面尺寸及纤维束尺度下的纤维束截面尺寸，纤维束距离等进行尺寸统计分析，获得编织防热材料不同尺度下的尺寸范围；
74.模型生成模块：根据纤维束、纤维尺度的尺寸范围，确定控制体的尺寸；控制体用于模拟编织防热材料；在基体-孔隙尺度，依据材料的孔隙率，建立空心球夹杂的基体孔隙尺度下的有限元模型；在纤维尺度，依据尺寸统计结果及平移对称条件，分别建立纤维尺度下四边形有限元模型和纤维尺度下六边形有限元模型；在纤维束尺度，依据尺寸统计结果及平移和镜面反射对称条件，建立反映细观结构特征的全单胞模型，四分之一单胞模型及十六分之一单胞模型这三种纤维束尺度下模型。从而获得了基体-孔隙尺度、纤维尺度及纤维束尺度，三种尺度下的有限元模型。
75.网格划分模块：孔隙尺度网格尺寸等于d/50～d/30倍的球形孔隙直径；纤维尺度网格尺寸等于d/3的纤维截面直径；纤维束尺度网格尺寸等于b/3，b为纤维束椭圆截面的短半轴长；
76.加载边界条件模块：沿控制体的传热方向施加温度梯度边界条件，在其余四个侧面上施加周期性边界条件；或沿控制体的待求力学参数方向施加力边界条件和位移约束，在其余四个侧面上施加周期性边界条件；
77.求解及后处理模块：进行求解得到控制体的等效热导率、等效弹性模量和泊松比。
78.实施例
79.如图1所示，具体步骤为：
80.(1)平面编织防热材料微结构检测样品的制备，具体实现过程如下：
81.(1.1)对于给定的防热材料样品，沿垂直于平铺面方向以及平铺面内切取材料样品，从而能观测到不同尺度下的细观结构分布。
82.(1.2)将切取的材料样品放在酒精中，再放入超声波清洗机中进行清洗，除去微结构中的残渣。
83.(1.3)将清洗后的材料样品放入烘干箱中，设定70℃进行保温12小时。
84.(1.4)将烘干后的材料样品放在喷金仪中，设备喷金时间，一般为140s，后取出。
85.(2)材料样品的微结构检测及微结构尺寸统计分析。
86.(2.1)按照扫描电镜的操作步骤将制备出的样品放入扫描电镜中，设置参数，进行样品的微结构观测，得到微结构的分布图像。
87.(2.2)改变微结构检测区域以及放大倍数，得到不同尺度下的微结构分布图像。
88.(2.3)根据微结构图像，得到不同尺度下微结构组元尺寸的统计数据，比如纤维束的宽度、厚度、层密、层间距、纬线中心距，纱线弯曲半径值等，纤维直径，孔隙的含量等。这里，可将观测区域分为三个尺度，即基体-孔隙尺度，纤维尺度以及纤维束尺度，对不同尺度下的细观结构分布及尺寸进行分析。
89.(3)基体-孔隙尺度的单胞模型建模
90.(3.1)根据观测结果的尺寸范围以及材料组成参数计算得到孔隙率，考虑孔隙为球形孔隙分布，确定所建模型的控制体的以及球形孔隙尺寸(只要满足孔隙率与实际材料相符即可)。
91.(3.2)基于控制体尺寸选择建立基体-孔隙尺度下的单胞模型(如图2)，进行布尔运算以及组元材料的网格尺寸分配，进行自动网格划分(如图3)。
92.(3.3)输入基体材料及空气在不同温度下的热物性参数，在不同温度下加载温度梯度边界条件及周期性边界条件，进行求解。
93.(3.4)求解后得到沿传热方向的热量q，然后根据模型的尺寸以及傅立叶定律，计算得到模型的等效热导率。如在y方向施加温度梯度边界并且其他两个方向温度梯度为求得通过y方向的热流量q，则有：
[0094][0095]
从而可得到材料沿y方向的等效热导率k
eq
，改变温度，如在上下两个面的节点上分别施加t0和的温度边界条件，可得到在不同的温度t0下的材料等效热导率结果，可用此等效热导率对材料的宏观热导率进行预测，可作为下一尺度分析的输入参数(基体-孔隙尺度等效热导率随温度变化的结果如图4所示)。
[0096]
(3.5)输入基体材料及空气在不同温度下的弹性模量和泊松比参数，加载力边界条件、位移约束及周期性边界条件，进行求解。
[0097]
(3.6)求解后得到沿力方向以及垂直于力的方向的位移uy及u
x
，从而可计算得到沿力方向及垂直于力的方向的应变εy＝uy/l
x
，ε
x
＝u
x
/l
x
。运用公式ey＝(fy/s)/εy,μ
yx
＝-ε
x
/εy即可得到沿力方向的弹性模量及泊松比。
[0098]
设置弹性模量和泊松比为不同温度下的值，可得到在不同的温度t0下的材料等效弹性模量和泊松比结果，可用此等效弹性模量和泊松比对材料的宏观热导率进行预测，可作为下一尺度分析的输入参数(基体-孔隙尺度等效弹性模量随温度变化的结果如图5所示)。
[0099]
(4)纤维尺度的单胞模型建模
[0100]
(4.1)根据观测结果的纤维尺寸范围以及材料组成参数计算得到纤维的截面尺寸，确定所建模型的控制体的尺寸，根据平移对称条件，选取单胞模型的尺寸，分别建立纤维截面上六边形分布(如图6)及四边形分布(图9)的单胞模型，纤维长度尺寸选取为截面尺寸的5～10倍即可。
[0101]
(4.2)根据选取的模型尺寸，建立纤维尺度下的单胞模型，进行布尔运算以及组元
材料的尺寸分布，进行自动网格划分。
[0102]
(4.3)输入组元材料不同温度下的热物性参数，在不同温度下加载温度梯度边界条件及周期性边界条件，进行求解。
[0103]
(4.4)求解后得到沿传热方向的热量q，然后根据模型的尺寸以及傅立叶定律，计算得到模型的等效热导率。如在y方向施加温度梯度边界并且其他两个方向温度梯度为求得通过y方向的热流量q，则有：
[0104][0105]
从而可得到材料沿y方向的等效热导率k
eq
，改变温度，如在上下两个面的节点上分别施加t0和的温度边界条件，可得到在不同的温度t0下的材料等效热导率结果，可用此等效热导率对材料的宏观热导率进行预测，可作为下一尺度分析的输入参数(纤维尺度随温度变化的等效热导率结果如图7，图10所示)。
[0106]
(4.5)输入组元材料不同温度下的弹性模量和泊松比参数，加载力边界条件、位移约束及周期性边界条件，进行求解。
[0107]
(4.6)求解后得到沿力方向以及垂直于力的方向的位移uy及u
x
，从而可计算得到沿力方向及垂直于力的方向的应变εy＝uy/l
x
，ε
x
＝u
x
/l
x
。运用公式ey＝(fy/s)/εy,μ
yx
＝-ε
x
/εy即可得到沿力方向的弹性模量及泊松比。
[0108]
设置弹性模量和泊松比为不同温度下的值，可得到在不同的温度t0下的材料等效弹性模量和泊松比结果，可用此等效弹性模量和泊松比对材料的宏观热导率进行预测，可作为下一尺度分析的输入参数(纤维尺度随温度变化的等效弹性模量结果如图8，图11所示)。
[0109]
(5)纤维束的单胞模型建模
[0110]
(5.1)根据观测结果的纤维束尺寸范围以及材料组成参数计算得到纤维束的相关参数，如纤维束的宽度、厚度、层密、层间距、纬线中心距，纱线弯曲半径值等，确定所建模型的控制体的尺寸，根据平移对称、旋转对称、镜面对称等条件，分别建立全单胞模型，四分之一单胞模型，十六分之一单胞模型(纤维束尺度不同单胞模型选取如图12所示)。
[0111]
(5.2)根据控制体尺寸选取建立纤维束尺度下的单胞模型，进行布尔运算以及组元材料的尺寸分布，进行自动网格划分(如图13所示)。
[0112]
(5.3)输入组元材料不同温度下的热物性参数，在不同温度下加载温度梯度边界条件及周期性边界条件，进行求解。
[0113]
(5.4)求解后得到垂直铺层方向的热量q，然后根据模型的尺寸以及傅立叶定律，计算得到模型的等效热导率。如沿垂直铺层方向y方向施加温度梯度边界并且其他两个方向温度梯度为求得通过y方向的热流量q，则有：
[0114][0115]
从而可得到材料沿y方向的等效热导率k
eq
，改变温度，如在上下两个面的节点上分别施加t0和的温度边界条件，可得到在不同的温度t0下的材料等效热导率结果，可用此等效热导率对材料的宏观热导率进行预测，结果表明，纤维束尺度三种单胞模型等效热导率结果相同，如图14所示。
[0116]
(5.5)输入组元材料不同温度下的弹性模量和泊松比参数，加载力边界条件、位移约束及周期性边界条件，进行求解。
[0117]
(5.6)求解后得到沿力方向以及垂直于力的方向的位移uy及u
x
，从而可计算得到沿力方向及垂直于力的方向的应变εy＝uy/l
x
，ε
x
＝u
x
/l
x
。运用公式ey＝(fy/s)/εy,μ
yx
＝-ε
x
/εy即可得到沿力方向的弹性模量及泊松比。
[0118]
设置弹性模量和泊松比为不同温度下的值，可得到在不同的温度t0下的材料等效弹性模量和泊松比结果，可用此等效弹性模量和泊松比对材料的宏观热导率进行预测，结果表明，纤维束尺度三种单胞模型等效弹性模量结果相同，如图15所示。
[0119]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
[0120]
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。