基于商業(yè)有限元軟件的周期性材料等效性能預(yù)測均勻化實施新方法.pdf

1、復(fù)合材料最大優(yōu)勢是具有可設(shè)計性，通過對微（或亞觀）結(jié)構(gòu)的調(diào)整，能夠?qū)崿F(xiàn)單一材料無法實現(xiàn)的性能，如輕質(zhì)高強、零膨脹、負泊松比等。復(fù)合材料經(jīng)常被應(yīng)用于具有嚴酷的承載和熱環(huán)境中，如高超聲飛行器的熱防護系統(tǒng)，發(fā)動機的燃燒室附近等。準確預(yù)測復(fù)合材料的等效熱物性參數(shù)（如熱傳導系數(shù)、熱膨脹系數(shù)等）是進行復(fù)合材料設(shè)計和應(yīng)用的基礎(chǔ)。解析預(yù)測模型通常只能適用于簡單規(guī)則的微結(jié)構(gòu)，數(shù)值預(yù)測模型能夠處理任意復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)，是進行復(fù)合材料設(shè)計常用方法。數(shù)值方法主要包

2、括代表體元方法和漸進均勻化方法。代表體元方法(RVE)由于執(zhí)行簡單，是目前最常用的方法，然而該方法沒有嚴格的數(shù)學基礎(chǔ)，是一個近似模型。漸進均勻化方法具有嚴格的數(shù)學基礎(chǔ)，具有較好的計算精度，但是一些執(zhí)行代碼往往局限于研究組內(nèi)部使用，缺乏通用的軟件工具。本文以現(xiàn)有商業(yè)有限元軟件為執(zhí)行平臺，提出了周期性復(fù)合材料等效熱傳導系數(shù)預(yù)測、考慮輻射傳熱影響的空心材料溫度場預(yù)測以及等效熱膨脹系數(shù)預(yù)測的漸進均勻化方法執(zhí)行新算法。該算法保留了均勻化方法計算精

3、度的優(yōu)勢，同時求解過程與RVE方法一樣簡單。具體的研究內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　(1)預(yù)測周期性復(fù)合材料等效熱傳導系數(shù)的均勻化求解新方法。熱傳導系數(shù)是量化材料熱行為的關(guān)鍵熱物理參數(shù)，預(yù)測周期性復(fù)合材料的等效熱傳導系數(shù)具有重要的意義。本文提出了基于通用商業(yè)有限元軟件的漸進均勻化預(yù)測周期性復(fù)合材料熱傳導系數(shù)新方法，并給出了詳細的執(zhí)行過程。利用該方法對纖維增強復(fù)合材料、球形中空金屬泡沫材料以及平面點陣材料的等效傳熱系數(shù)進行預(yù)測，并與現(xiàn)有文獻

4、的解析解、代表體元法的計算結(jié)果進行比較。研究表明:該方法能夠準確預(yù)測任意幾何復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)、任意材料組成的微觀單胞的等效傳熱系數(shù)。另外，該方法在預(yù)測過程中可以同時使用商業(yè)軟件提供的桿、板、殼、實體等多種單元形式，在分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微單胞時，通過合理的單元選擇，能夠大幅度降低計算量。
　　(2)預(yù)測考慮輻射的空心材料近似溫度場的均勻化求解新方法。輻射傳熱在高溫環(huán)境中是必須要考慮的因素。二階雙尺度的漸進均勻化方法能夠預(yù)測考慮內(nèi)部邊界輻射

5、傳熱周期性空心材料的溫度場。本文研究建立了基于商業(yè)軟件的考慮輻射影響的周期性空心材料溫度場預(yù)測的均勻化新執(zhí)行算法。通過與直接的有限元分析對比，驗證方法的有效性。研究表明:在不考慮輻射的條件下，預(yù)測的一階近似溫度場的計算精度較高，而考慮輻射的二階近似溫度場結(jié)果與直接分析結(jié)果相比誤差較大，最大誤差為2.9％，說明二階近似溫度場中反映對宏觀溫度場影響的輻射換熱項需要進一步的修正。
　　(3)預(yù)測周期性復(fù)合材料等效熱膨脹系數(shù)的均勻化求解新

6、方法。對于處在熱環(huán)境中的復(fù)合材料，準確預(yù)測周期性復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)是減緩結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)。本文提出了基于通用商業(yè)有限元軟件的漸進均勻化預(yù)測周期性復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)新方法，并給出了詳細的執(zhí)行過程。該新方法以現(xiàn)有商業(yè)有限元軟件為計算黑箱，可以使用商業(yè)有限元軟件中所有的單元類型并用于單胞離散計算。利用該方法，對纖維增強復(fù)合材料、平面點陣結(jié)構(gòu)、三維桁架的等效熱膨脹系數(shù)進行預(yù)測，并與現(xiàn)有文獻的傳統(tǒng)均勻化結(jié)果、解析解進行比較，說明了該