化学气相渗透过程的多尺度建模,分析与模拟

We consider the multi-scale modeling, analysis and numerical simulation of the chemical vapor infiltration (ICVI) process for the fabrication of fiber-reinforced ceramic composites C/SiC. We first establish a microscopic model in which the woven preform is viewed as a two-phase porous media described by a dynamic node-bond network in the pore scale during the fabrication process. Then a macroscopic model will be derived by upscaling procedure based on the homogenization theory. Both 2D and 3D proforms will be considered. The homogenization theory will be presented for a nonlinear system of surface-action and diffusion processes in a porous media with dynamic pore sturcture. A multiscale algorithm based on Heterogeneous Mulstiscale Method will also be developed to predict the residual pore structure in the final composites product.

本课题研究碳纤维增韧-碳化硅陶瓷基复合材料(C／SiC)的制备工艺- - 化学气相渗透（CVI）过程的多尺度建模,分析及数值模拟。我们首先将编织预制体看作两相多孔介质，其中孔隙结构由node-bond网络刻画，在制备过程中可以动态变化，在微观孔隙尺度上建立关于反应物浓度的反应扩散方程。 经过尺度提升，可以导出等效的宏观浓度方程。再联立孔隙度演化的方程，得到一个封闭的等效宏观系统，用来在宏观尺度上模拟二维或三维编织预制体的CVI过程。我们将建立具有动态孔隙结构的多孔介质中的非线性反应-扩散系统的均匀化理论， 可以用于对上述宏观模型的分析和验证。基于异质多尺度方法，我们可以发展一种多尺度算法来预测CVI过程结束后得到的复合材料中残余孔隙的结构分布。

由于具有优异的性能，碳纤维增韧陶瓷基复合材料在航空航天领域非常重要，一般由化学气相渗透过程制备。制备结束后材料中的残余孔隙分布确定了材料的服役性能。残余孔隙属于微观信息，直接进行数值模拟往往超出现有的计算能力。本课题基于异质多尺度方法，对化学气相渗透过程进行了多尺度建模及三维并行数值模拟，在统计意义上得到了材料中的残余孔隙分布。.本课题的另一重要结果是解决了椭圆问题的异质多尺度方法在没有尺度分离情形下的算法设计和理论分析问题。有尺度分离情形下的异质多尺度方法2005年由鄂维南、明平兵和张平文建立，但没有尺度分离情形下的问题一直没有解决。