氧化物-氧化物陶瓷基复合材料烧结变形分析的DFEM应用：数字孪生技术研究

本文创新性地应用基于致密化的有限元方法（DFEM）预测氧化物-氧化物陶瓷基复合材料（Ox-Ox CMCs）全尺寸热防护罩（FSHS）的烧结变形，通过数字孪生技术实现几何敏感区域精准定位与实验-模拟偏差量化。该方法突破传统本构模型对黏度、烧结势等参数的依赖，提出抑制边界条件使目标区域变形显著降低，为航空航天领域高性能陶瓷制造提供高效计算方案。

　　

ABSTRACT

高温环境下陶瓷部件烧结行为校准存在耗时耗力难题。研究开发的致密化有限元方法（DFEM）无需本构定律细节参数（如黏度、烧结势），即可计算陶瓷部件烧结变形。该方法应用于氧化铝-氧化硅陶瓷基复合材料（Ox-Ox CMCs）全尺寸热防护罩（FSHS）的变形预测与抑制，通过数字孪生精准识别易变形区域并量化实验与模拟偏差。施加边界条件的抑制策略使目标区域变形显著降低，证明DFEM作为一种近似但高效的计算方法，可避免纤维取向、铺层数等复杂表征，仅需烧结变形数据即可实现优化。

1 Introduction

烧结是陶瓷基复合材料（CMCs）生产的关键步骤，Ox-Ox CMCs凭借耐高温抗氧化特性成为航空航天理想材料。但烧结过程中基体致密化引发的残余应力导致变形，尤其FSHS等复杂构件几何区域变形评估成为难点。传统本构模型需校准黏度（η_s、η_B）和烧结势（σ_s≈1 MPa）等参数，而DFEM仅需自由烧结应变率（ε?_exp）即可预测无约束烧结变形，大幅降低计算复杂度。

2 Methodology

2.1 DFEM理论

烧结本构方程包含剪切变形、平均应力体积应变和烧结势驱动体积变化三项。DFEM仅保留第三项（ε?_ij=?ε?_expδ_ij），通过变分原理匹配实验自由收缩率（式1b）。该方法通过Abaqus膨胀模块输入负膨胀应变模拟收缩，经37次迭代校准区域应变率（表1），最终模型包含519,336个C3D10单元，计算误差±1.0×10^?9 s^?1。

2.2 DFEM-FSHS模型

FSHS采用Shell单元建模，三边界条件消除刚体位移。隐/显式积分结合VISCO分析处理蠕变，Fortran UMAT子程序实现全本构模型对比验证（附录A）。

3 Results and Discussion

3.1烧结变形特征

激光扫描显示FSHS烧结后Z向变形达±4 mm（图1c），中部区域（MID）上翘，邻域下凹，左右法兰（BSLF/BSRF）同步上翘，面内收缩率0.33%。

3.2数字孪生验证

数字孪生（图2）整体预测误差RMSE≤0.0084 m（表2），MID区域精度最高（RMSE 0.000418 m），法兰区因多向变形耦合导致偏差，但主导变形趋势吻合。

3.3变形抑制策略

基于σ_s阈值选择约束位点，施加<1 MPa压力可降低变形而不影响自由烧结。该框架可迁移至后续FSHS批次生产。

创新价值

研究首次将DFEM拓展至Ox-Ox CMCs复杂构件，通过应变率区域化校准实现"以变形反推参数"的逆向建模，为航空航天陶瓷部件制造提供免表征的快速仿真工具。