陶瓷基复合材料弹性特性预测方法、介质、设备及系统与流程

本发明涉及陶瓷基复合材料弹性特性预测领域，更为具体的，涉及一种陶瓷基复合材料弹性特性预测方法、介质、设备及系统。

背景技术：

1、随着新一代高超声飞行器向更高、更远、可重复使用等目标的发展，对其热防护结构有效力学承载性能提出了更高的挑战。传统的金属基或树脂基防热结构已达到其服役温度上限不再适用，基于3d打印技术制备的新一代陶瓷基复合材料在热防护结构设计中得到了越来越广泛的发展和应用。在数值研究过程中，受结构复杂影响，新型陶瓷基复合防热结构性能的研究需采三角形单元进行结构网格的划分，然而，常规的三角形单元的在复合材料弹性问题上的预测精度是不足的，在材料的过渡界面存在应变或者应力阶跃问题，通过加密低阶三角形网格密度是解决上述的有效技术途径之一，但网格的加密将直接导致数值计算量的大幅度增加，增长结构设计评估时间。采用高阶单元同样可以改善界面位置处应力的数值不连续问题，但额外引入了自由度（边中点位移），同样带来计算量大幅度增加的问题。

2、传统的三角形单元具有方便、简单、高效的特性，在实际工程问题中大量的应用，如何进一步提高传统三角形单元的计算精度，使得其更为适合当下复合材料弹性问题的研究是目前需要解决的一个技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种陶瓷基复合材料弹性特性预测方法、介质、设备及系统，提高陶瓷基复合材料热传导问题的预测精度，增加计算精度的同时计算速度不受影响。

2、本发明的目的是通过以下方案实现的：

3、一种陶瓷基复合材料弹性特性预测方法，包括以下步骤：

4、基于网格节点建立控制体的格点型有限体积法cv-fvm进行空间离散，且在离散过程中采用三角形单元；

5、在所述空间离散的过程中，通过相邻单元构建边中点位置处的位移平滑梯度，并利用形函数将节点位置处的位移梯度表达成与边中点位置平滑梯度有关的线性表达式，用以保证相邻单元在公用节点位置和边中点位置处梯度的连续性；将获得的所述线性表达式带入弹性方程并在计算机处理器中计算得到位移，从而预测陶瓷基复合材料的弹性特性；所述弹性方程包括不可压材料弹性方程；或，

6、在所述空间离散的过程中，通过相邻单元构建边中点位置处的位移和温度平滑梯度，并利用形函数将节点位置处的温度、位移梯度表达成与边中点位置平滑梯度有关的线性表达式，用以保证相邻单元在公用节点位置和边中点位置处梯度的连续性；将获得的所述线性表达式带入到热传导方程和平衡方程并在计算机处理器中计算得到节点温度、位移、应变和应力，从而预测考虑强热弹耦合下复合防热材料热弹性能。

7、进一步地，所述通过相邻单元构建边中点位置处的位移平滑梯度，并利用形函数将节点位置处的位移梯度表达成与边中点位置平滑梯度有关的线性表达式，用以保证相邻单元在公用节点位置和边中点位置处梯度的连续性；将获得的所述线性表达式带入弹性方程并在计算机处理器中计算得到位移，从而预测陶瓷基复合材料的弹性特性，具体包括如下子步骤：

8、s1，根据相邻单元获得三角形单元边中点位置处的位移梯度表达式，将其表达为与单元节点位移和常系数相联系的线性表达式，并将常系数在计算机存储单元中进行一次性存储；

9、s2，根据步骤s1，利用形函数，将节点处的位移梯度表达为形函数与单元边中点位移梯度相关的节点线性表达式；

10、s3，将步骤s2获得的节点线性表达式带入到弹性方程中，并将其离散为与待解位移相关的线性方程组在计算机处理器中进行求解，获得节点位移、应变、应力，根据点位移、应变、应力预测陶瓷基复合材料的弹性特性。

11、进一步地，在步骤s1中，所述据相邻单元获得三角形单元边中点位置处的位移梯度表达式，包括如下子步骤：

12、基于边中点构建单元内线性梯度，利用单元内的节点和单元相邻的节点计算界面平滑位移梯度和单元中心位移梯度：

13、

14、其中，▽表示梯度符号， u表示x方向界面平滑位移， v表示y方向界面平滑位移， a为单元的面积，分别表示界面平滑位移梯度，▽ u、▽ v分别表示单元中心位移梯度，上角标“ e”和“ k”分别表示目标单元和临近单元。

15、进一步地，针对边界位置处的单元的界面梯度，采用单元中心位移梯度近似计算。

16、进一步地，在步骤s2中，所述将节点处的位移梯度表达为形函数与单元边中点位移梯度相关的节点线性表达式，具体包括子步骤：

17、s21，采用形函数计算单元内任意位置处梯度；

18、

19、其中，上角标“ p”表示单元内任意位置，表示节点“ i”在位置“ p”处形函数的值；

20、s21，对单元边中点梯度采用计算得到的界面平滑位移梯度进行近似，再结合步骤s21计算得到的任意位置处梯度，获得如下单元内节点线性表达式：

21、

22、

23、式中，▽ u的下角标 ix, jx, kx分别表示节点 i, j, k梯度沿 x方向的分量，▽ v的下角标 iy, jy, ky分别表示节点 i, j, k梯度沿 y方向的分量， n表示形函数的值。

24、进一步地，在步骤s3中，所述弹性方程选用针对各向同性材料积分格式的弹性方程。

25、进一步地，在步骤s3之后，包括步骤：通过对不同节点形成的控制体循环执行步骤s1~s3过程并进行总装。

26、一种可读存储介质，在可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器加载并执行如上任一项所述的方法。

27、一种计算机设备，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，当所述计算机程序被所述处理器加载时并执行如上任一项所述的方法。

28、一种陶瓷基复合材料弹性特性预测系统，包括如上所述的计算机设备。

29、本发明的有益效果包括：

30、本发明相比于传统常应变3点三角形单元，可保证相邻单元在界面位置处梯度连续（即网格边界位置处的应变、应力连续），提高传统常应变三角形单元的预测精度。相比于高阶6点三角形单元，在界面位移梯度构建的过程中不引入额外自由度，增加计算精度的同时计算速度不受影响。

31、本发明在不改变原有cv-fvm计算框架（前处理、方程组求解、后处理）的同时，不额外引入自由度，提高陶瓷基复合材料热传导问题的预测精度。