本發(fā)明屬于核燃料復合包殼管領(lǐng)域，涉及一種具有二維纖維編織結(jié)構(gòu)的多層異質(zhì)復合包殼管的三維參數(shù)化建模方法。

背景技術(shù)：

1、計算材料科學中的模擬技術(shù)對材料進行研究的優(yōu)勢在于它不但能夠模擬各類實驗過程，了解材料的內(nèi)部微觀性質(zhì)及其宏觀力學行為，并且在沒有實際備制出這些新材料前就能預測它們的性能為設(shè)計出優(yōu)異性能的新型結(jié)構(gòu)材料提供強有力的理論指導。

2、sicf/sic陶瓷基復合材料作為核包殼管的候選材料之一。其連續(xù)sic纖維增韌sic基體的方式有纏繞和編織，但在相同的纖維體積分數(shù)和纖維角度下，編織結(jié)構(gòu)的sic陶瓷基復合材料的力學性能要優(yōu)于纏繞結(jié)構(gòu)的sic陶瓷基復合材料。因此，對sicf/sic陶瓷基復合包殼管在核材料應用領(lǐng)域多集中在對sic纖維編織結(jié)構(gòu)的研究。

3、同時為改善目前sicf/sic復合材料在低應力水平下基體開裂，不符合氣密性標準。因此，又引入了一種由難熔金屬和sicf/sic組成的新型包層結(jié)構(gòu)，旨在提高氣密性和提高事故容錯能力。

4、目前在陶瓷基復合材料的模擬設(shè)計領(lǐng)域，大多采用有限元方法進行多尺度模擬設(shè)計，從而預測和分析陶瓷基復合材料的力學性能及其損傷行為。多尺度模擬設(shè)計是利用顯微技術(shù)、數(shù)字圖像技術(shù)、等方法，將獲得到的材料結(jié)構(gòu)利用有限元模擬軟件對材料進行微觀、細觀和宏觀等不同尺度的結(jié)構(gòu)重現(xiàn)，進而在不同工況和物理場下對材料進行模擬設(shè)計研究。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、要解決的技術(shù)問題

2、為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種具有二維纖維編織結(jié)構(gòu)的多層異質(zhì)復合包殼管的三維參數(shù)化建模方法，以解決具有復雜2d纖維編織結(jié)構(gòu)的宏觀復合包殼管難以建模問題為目的，為多層異質(zhì)復合包殼管實現(xiàn)準確有限元模擬分析提供了一個可靠的計算模型。

3、技術(shù)方案

4、一種具有二維(2d)纖維編織結(jié)構(gòu)的多層異質(zhì)復合包殼管的三維參數(shù)化建模方法，其特征在于步驟如下：

5、步驟1、纖維束輪廓實體化和各個組分模型：

6、纖維束輪廓實體化：以幾何輪廓曲線的參數(shù)方程描述2d編織纖維束不同方向上的幾何輪廓曲線，利用comsol有限元軟件中的填充功能將參數(shù)方程所包覆的空間實體化，完成2d編織纖維束的建模得到2d編織纖維束模型；

7、所述參數(shù)方程采用單個纖維束的厚度t、長度l、寬度w以及兩個相鄰纖維束之間的距離g幾何尺寸信息進行描述，單位為mm；

8、組分模型建模：組分包括基體，界面和內(nèi)襯金屬，采用六面體建模后得到基體模型，界面模型和內(nèi)襯金屬模型，三種組分模型的長度lm和寬度wm滿足lm＝l＝2w+2g，wm＝l＝2w+2g；

9、其中基體模型的數(shù)量為2d編織纖維束模型的2倍，六面體的一個側(cè)面與2d編織纖維束模型相吻合且完全包覆2d編織纖維束；

10、步驟2：采用comsol有限元軟件中的布爾運算功能對纖維束、基體、界面和內(nèi)襯金屬進行并集操作，完成具有單層纖維預制體的六面體建模；

11、并集操作時，兩個基體模型完全包覆一個2d編織纖維束模型組成模型a，多個模型a疊層并集后的一端依次為界面模型和內(nèi)襯金屬模型，得到具有單層纖維預制體的六面體建模即為多層纖維預制體的異質(zhì)包殼管模型；

12、步驟3、多層異質(zhì)包殼管的建模：根據(jù)實際包殼管的內(nèi)徑，利用comsol有限元軟件中的大變形功能將包含多層二維編織結(jié)構(gòu)的多層異質(zhì)包殼管折彎為設(shè)計的角度，并依據(jù)該弧度進行圓周陣列操作完成多層異質(zhì)復合包殼管的建模。

13、所述步驟1中描述纖維束不同方向上的幾何輪廓曲線的幾何輪廓曲線的參數(shù)方程，包括纖維束縱向截面和纖維束橫向截面的4條曲線，即設(shè)定4個參數(shù)方程：

14、

15、

16、

17、

18、其中，y1(x)、y2(x)為纖維束縱向截面的兩條曲線參數(shù)方程；y3(x)、y4(x)為纖維束橫向截面的兩條曲線參數(shù)方程；x為參數(shù)方程自變量，單位為mm；t為纖維束的厚度，單位為mm；l為纖維束的長度，單位為mm；g為兩個相鄰纖維束之間的距離，單位為mm，即g＝l/2-w；w為纖維束的寬度，單位為mm。

19、所述步驟1中2d編織纖維束的空間實體化時，首先使用comsol軟件中的填充功能將纖維束橫截面實體化時，然后以該橫截面為源面，纖維束的縱向截面曲線為路徑進行掃掠填充，實現(xiàn)2d編織纖維束的空間實體化。

20、所述步驟2中所描述的布爾運算并集功能是將六面體基體中包覆的2d編織纖維所占據(jù)的空間去除從而形成不規(guī)則形狀的基體，即基體和2d編織纖維成為兩個獨立的幾何模型。

21、所述步驟3中所描述的多層纖維預制體的多層為3層，通過對單層纖維預制體在厚度方向陣列2層纖維預制體，共計3層纖維預制體，實現(xiàn)3層纖維預制體的建模。

22、步驟1中所描述的各個模型的厚度分別為：單個纖維束0.205mm，基體0.475mm，界面0.100mm，金屬內(nèi)襯0.399mm，其中，單個纖維束模型的寬度w為0.925mm，長度l為2.159mm，其余組分模型的寬度與長度相同，均為2.159mm。

23、所述步驟3中描述的多層異質(zhì)復合包殼管在大變形之后所對應的角度為：

24、

25、所述包殼管內(nèi)徑為11mm，內(nèi)襯金屬厚度2.159mm，多層異質(zhì)復合包殼管在大變形之后所對應的角度為22.517°。

26、所述步驟3中所描述的圓周陣列是以原點所在直線為旋轉(zhuǎn)軸，陣列角度為多層異質(zhì)復合包殼管在大變形之后所對應的角度。

27、所述步驟3中所描述的圓周陣列是以原點所在直線為旋轉(zhuǎn)軸，陣列角度為22.517°，陣列數(shù)量為16，完成多層異質(zhì)復合包殼管三維模型的建立。

28、有益效果

29、本發(fā)明提出的一種具有二維纖維編織結(jié)構(gòu)的多層異質(zhì)復合包殼管的三維參數(shù)化建模方法，包括以下步驟：1：設(shè)置纖維束幾何輪廓曲線的參數(shù)方程，將參數(shù)方程所包覆的空間實體化；2：建立完全包覆二維(2d)編織纖維束的六面體基體模型以及六面體界面和內(nèi)襯金屬模型，并利用布爾運算功能對各組分模型進行并集操作；3：根據(jù)實際包殼管的內(nèi)徑，將包含二維編織結(jié)構(gòu)的六面體模型折彎為相應的弧度，并根據(jù)該弧度進行圓周陣列操作完成多層異質(zhì)復合包殼管的建模。該參數(shù)化建模方法可解決多層異質(zhì)復合包殼管組分模型不易建立完全，編織預制體層數(shù)不可控的局限性，同時可根據(jù)真實組分模型的幾何尺寸靈活變動，節(jié)約建模時間，實現(xiàn)對多層異質(zhì)復合包殼管的準確仿真和模擬。

30、本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果在于：通過三維參數(shù)化建模方法解決了多層異質(zhì)復合包殼管組分模型不易建立完全，編織預制體層數(shù)不可控的局限性，同時可根據(jù)真實組分模型的幾何尺寸靈活變動，節(jié)約建模時間，實現(xiàn)對多層異質(zhì)復合包殼管的準確仿真，同時為實現(xiàn)有限元模擬分析提供了一個可靠的計算模型。

技術(shù)特征：

1.一種具有二維(2d)纖維編織結(jié)構(gòu)的多層異質(zhì)復合包殼管的三維參數(shù)化建模方法，其特征在于步驟如下：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述具有二維纖維編織結(jié)構(gòu)的多層異質(zhì)復合包殼管的三維參數(shù)化建模方法，其特征在于：所述步驟1中描述纖維束不同方向上的幾何輪廓曲線的幾何輪廓曲線的參數(shù)方程，包括纖維束縱向截面和纖維束橫向截面的4條曲線，即設(shè)定4個參數(shù)方程：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述具有二維纖維編織結(jié)構(gòu)的多層異質(zhì)復合包殼管的三維參數(shù)化建模方法，其特征在于：所述步驟1中2d編織纖維束的空間實體化時，首先使用comsol軟件中的填充功能將纖維束橫截面實體化時，然后以該橫截面為源面，纖維束的縱向截面曲線為路徑進行掃掠填充，實現(xiàn)2d編織纖維束的空間實體化。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述具有二維纖維編織結(jié)構(gòu)的多層異質(zhì)復合包殼管的三維參數(shù)化建模方法，其特征在于：所述步驟2中所描述的布爾運算并集功能是將六面體基體中包覆的2d編織纖維所占據(jù)的空間去除從而形成不規(guī)則形狀的基體，即基體和2d編織纖維成為兩個獨立的幾何模型。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述具有二維纖維編織結(jié)構(gòu)的多層異質(zhì)復合包殼管的三維參數(shù)化建模方法，其特征在于：所述步驟3中所描述的多層纖維預制體的多層為3層，通過對單層纖維預制體在厚度方向陣列2層纖維預制體，共計3層纖維預制體，實現(xiàn)3層纖維預制體的建模。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述具有二維纖維編織結(jié)構(gòu)的多層異質(zhì)復合包殼管的三維參數(shù)化建模方法，其特征在于：步驟1中所描述的各個模型的厚度分別為：單個纖維束0.205mm，基體0.475mm，界面0.100mm，金屬內(nèi)襯0.399mm，其中，單個纖維束模型的寬度w為0.925mm，長度l為2.159mm，其余組分模型的寬度與長度相同，均為2.159mm。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述具有二維纖維編織結(jié)構(gòu)的多層異質(zhì)復合包殼管的三維參數(shù)化建模方法，其特征在于：所述步驟3中描述的多層異質(zhì)復合包殼管在大變形之后所對應的角度為：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述具有二維纖維編織結(jié)構(gòu)的多層異質(zhì)復合包殼管的三維參數(shù)化建模方法，其特征在于：所述包殼管內(nèi)徑為11mm，內(nèi)襯金屬厚度2.159mm，多層異質(zhì)復合包殼管在大變形之后所對應的角度為22.517°。

9.根據(jù)權(quán)利要求1或8所述具有二維纖維編織結(jié)構(gòu)的多層異質(zhì)復合包殼管的三維參數(shù)化建模方法，其特征在于：所述步驟3中所描述的圓周陣列是以原點所在直線為旋轉(zhuǎn)軸，陣列角度為多層異質(zhì)復合包殼管在大變形之后所對應的角度。

10.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述具有二維纖維編織結(jié)構(gòu)的多層異質(zhì)復合包殼管的三維參數(shù)化建模方法，其特征在于：所述步驟3中所描述的圓周陣列是以原點所在直線為旋轉(zhuǎn)軸，陣列角度為22.517°，陣列數(shù)量為16，完成多層異質(zhì)復合包殼管三維模型的建立。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種具有二維纖維編織結(jié)構(gòu)的多層異質(zhì)復合包殼管的三維參數(shù)化建模方法，1：設(shè)置纖維束幾何輪廓曲線的參數(shù)方程，將參數(shù)方程所包覆的空間實體化；2：建立完全包覆二維(2D)編織纖維束的六面體基體模型以及六面體界面和內(nèi)襯金屬模型，并利用布爾運算功能對各組分模型進行并集操作；3：根據(jù)實際包殼管的內(nèi)徑，將包含二維編織結(jié)構(gòu)的六面體模型折彎為相應的弧度，并根據(jù)該弧度進行圓周陣列操作完成多層異質(zhì)復合包殼管的建模。該參數(shù)化建模方法可解決多層異質(zhì)復合包殼管組分模型不易建立完全，編織預制體層數(shù)不可控的局限性，同時可根據(jù)真實組分模型的幾何尺寸靈活變動，節(jié)約建模時間，實現(xiàn)對多層異質(zhì)復合包殼管的準確仿真和模擬。

技術(shù)研發(fā)人員：衛(wèi)沖,梁爽
受保護的技術(shù)使用者：西北工業(yè)大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9