连通孔道结构合金基陶瓷复合材料热分析

周虹丽

摘要：针对合金基复合材料分析中陶瓷骨架内存在广布随机不等直径孔道这一现状，采用fortran 语言编写了能生成含随机分布孔道陶瓷骨架的几何模型的程序 ,结合ANSYS有限元软件 ,分析了孔道的体积分数对复合材料温度场的影响.

关键词：复合材料有限元方法温度场

中图分类号：J527文献标识码：A 文章编号：

1. 引言

金属基复合材料由于其具有高比刚度、高比强度、低密度和优越的热学性能，使得其被广泛地应用于航空航天、军工等领域，但复合材料在制造、加工及服役过程中，不可避免地要经过高温过程。由于增强体与基体的热膨胀系数有较大差别，在变温过程中会产生热应变，造成相间热应力或残余应力。越来越多的研究表明，这种残余应力的大小以及分布形态对复合材料在其服役过程中的破坏有着不可忽视的影响。因此，研究其热学性能，对该类复合材料的材料设计与开发以及工程应用等方面具有重要意义。

2 温度场的基本方程

一般三维问题中，瞬态温度场的场变量 在直角坐标中应满足的微分方程是

（1）

此方程即是热量平衡方程。式中第一项是微体升温需要的热量；第2、3、4项是由x、y 和z方向传入微体的热量；最后一项是微体内热源产生的热量。微分方程表明：微体升温所需的热量应与传入微体的热量以及微体内热源的热量相平衡。

3.数值模拟

3.1生成随机模型

从制备的成型复合材料看到 ,陶瓷骨架上存在大量随机分布的孔道 ,不论从位置上还是空间尺寸上一般都无序可寻 ,以往分析中通常采用人工办法把孔洞取为排列有序的分布形式 ,这种处理往往会给计算结果带来一定的误差。为了弥补以上不足 ,本文将编制的 FORTRAN 程序和仿真分析软件 ANSYS联系起来 ,充分利用 ANSYS 软件的参数分析功能 ,最后将计算结果传递到 ANSYS软件的前处理器内成功模拟了孔道在陶瓷骨架上的随机分布。

3.2有限元模型

本文选取图1所示的结构为计算模型，陶瓷骨架内充满了充满了Nb-Al合金。选取8节点SOLID5三维耦合场体单元，采用映射网格划分方法，分别对陶瓷和骨架内部的合金进行网格剖分。加载如图2所示的循环热载荷，针对不同体积分数的复合材料进行热分析。

、

图1几何模型示意图 (a) 10%(b) 20%(c) 40%图2周期性热力载荷

3.3分析结果

图3 高度方向的节点的温度时间历程图(a)10%(b)20%(c)40%

图4不同时刻厚度方向上的温度分布 (a)3ms(b)6ms (c)100ms

图3给出了沿高度方向的节点的温度时间历程图，得到：温度变化呈现周期性，变化曲线相似。图4给出了在不同时刻沿厚度方向的温度分布情况，可以变化曲线相似，体积分数越大，温度变化越明显，热变形越大，整体的热膨胀系数越大，其原因是铝合金的热膨胀系数大于 SiC颗粒 ,合金使复合材料的热膨胀变大；同时看到后一周期的作用大于前一周期，变形呈现累计效应。

4.结 论

通过对模拟结果的分析得到以下的结论：

（1） 随机分布下的密集度对温度场的分布影响比较大。

（2） 陶瓷骨架中孔道体积分数越大对温度场的影响越大，但温度差值很小。

（3） 温度场在循环载荷作用下，呈现的也是周期性的变化，后一个周期的值大于前一个周期的值。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。