一种碳化硅陶瓷常压固相烧结过程的数值模拟方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN107315853A(43)申请公布日2017.11.03(21)申请号201710368606.4(22)申请日2017.05.23(71)申请人中国科学院上海硅酸盐研究所地址200050上海市长宁区定西路1295号(72)发明人黄健黄政仁陈忠明刘岩(74)专利代理机构上海瀚桥专利代理事务所(普通合伙)31261代理人曹芳玲姚佳雯(51)Int.Cl.G06F17/50(2006.01)权利要求书3页说明书9页附图4页(54)发明名称一种碳化硅陶瓷常压固相烧结过程的数值模拟方法(57)摘要本发明提供了一种碳化硅陶瓷常压固相烧结过程的数值模拟方法，包括以下步骤：（1）建立碳化硅陶瓷常压固相烧结过程的热粘弹性本构模型；（2）建立有限元分析模型；（3）定义烧结蠕变本构方程；（4）进行瞬态热结构耦合非线性仿真分析，获得碳化硅陶瓷产品上的温度场分布以及致密化收缩量；（5）通过与实时观测炉测得的试验数据对比，验证所述热粘弹性本构模型及有限元分析模型的正确性。本发明解决了目前碳化硅陶瓷常压固相烧结过程中无法实时测量陶瓷产品上的变形及温度分布状态，并且针对不同尺寸及结构形式的碳化硅陶瓷产品不能准确制定有针对性的烧结工艺参数和工艺措施的技术问题。CN107315853ACN107315853A权利要求书1/3页1.一种碳化硅陶瓷常压固相烧结过程的数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)建立碳化硅陶瓷常压固相烧结过程的热粘弹性本构模型；(2)建立有限元分析模型；(3)定义烧结蠕变本构方程；(4)进行瞬态热结构耦合非线性仿真分析，获得碳化硅陶瓷产品上的温度场分布以及致密化收缩量；(5)通过与实时观测炉测得的试验数据对比，验证所述热粘弹性本构模型及有限元分析模型的正确性。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)包括：利用烧结的唯象模型结合碳化硅陶瓷常压固相烧结致密化过程中表现出的粘弹性特性，对于三轴应力状态下并存在热变形的情况，同时考虑弹性应变率、热应变率、和蠕变应变率，建立描述碳化硅陶瓷常压固相烧结过程的热粘弹性本构模型为：将公式(1)转换为胡克定律的速率形式为：其中D为弹性刚度矩阵，为弹性应变率，为总应变率，为热应变率，为蠕变应变率；热应变率的表达式如下：其中α为热膨胀系数，△T为温度增量，I为二阶单位张量；蠕变应变率的表达式如下：其中σ′为应力偏张量，G＝(1-θ)2η为剪切模量，θ为孔隙率，为材料的表观粘度，η0是室温下材料粘度参数，Qvf为粘性流动激活能，R为气体常数，T为温度，σm＝tr(σ)/3为静水应力，为烧结应力，γs为表面能，r0为粉末颗粒平均半径，为体积粘度。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)包括：建立分析对象的几何模型；定义材料特性；设置分析类型；定义不同部件之间的接触属性；设置载荷及约束边界条件；设置单元类型、划分网格。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述建立分析对象的几何模型包括：根据实际烧结样品状态，利用三维制图软件建立分析对象的三维几何模型，对于结构及边界条件具有对称性的三维几何模型，取其四分之一或二分之一建模；2CN107315853A权利要求书2/3页将三维制图软件中建立的三维几何模型转化为step文件格式，利用ABAQUS软件的模型输入接口，实现模型的导入；所述定义材料特性包括：碳化硅陶瓷多孔材料在常压固相烧结致密化过程中存在热变形、瞬时弹性效应和蠕变特征，将其视为各向同性的热粘弹性体，支撑板为致密化石墨，视为各向同性的线弹性体；所述设置分析类型为瞬态热结构耦合分析，同时考虑几何非线性及蠕变/膨胀/粘塑性行为；所述定义不同部件之间的接触属性包括在接触面之间设置摩擦关系及导热关系；所述设置载荷及约束边界条件包括根据实际工况条件设置载荷及约束边界条件，定义自由度约束、对称面上的对称约束以及外力和热边界条件；所述设置单元类型、划分网格包括根据所述有限元分析模型的结构特征和分析类型设置相应的单元形式。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中利用ABAQUS软件的CREEP用户子程序定义烧结蠕变本构方程，具体过程为：根据CREEP用户子程序的定义，粘塑性应变增量分别由体积膨胀应变增量和蠕变应变增量组成，表达式如下：其中是体积膨胀应变增量，为蠕变应变增量，对于各项同性膨胀R＝I，n为偏应力势梯度，定义为：其中为米塞斯等效偏应力，定义为：其中devσ＝σ+pI是偏应力，p＝-tr(σ)/3是等效压应力；由公式(6)和公式(7)可以得到如下表达式：从而公式(5)可变为：将碳化硅陶瓷材料常压固相烧结蠕变应变率方程写为增量形式如下：比较公式(9)和公式(10)，则得到两个蠕变应变分量