(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211058515.8 (22)申请日 2022.08.31 (71)申请人 南京理工大 学 地址 210094 江苏省南京市孝陵卫20 0号 (72)发明人 李泽文　周义青　唐杰　 (74)专利代理 机构 南京理工大 学专利中心 32203 专利代理师 陈鹏 (51)Int.Cl. G16C 60/00(2019.01) G16C 10/00(2019.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 113/26(2020.01) (54)发明名称 切向气流下激光烧蚀全编织CFRP的仿真方 法 (57)摘要 本发明公开了一种切向气流下激光烧蚀全 编织CFRP的仿真方法， 该方法提出了高速切向气 流下和高功率激光密度作用下全编织材料的致 密结构力学剥蚀模型， 同时考虑了烧蚀坑涡流演 化对氧气传质和 力学剥蚀的影 响； 该方法通过建 立流固耦合模型， 同时分析了C FRP在激光烧蚀过 程中的树脂热解反应、 碳纤维和残 碳的氧化和升 华剥蚀、 外部切向气流导致的力学剥蚀以及内部 热解气体产生的力学剥蚀问题， 解决了CF RP在激 光烧蚀不同阶段中不同剥蚀的贡献问题。 本发明 可以重现一定流速范围内的任意形式激光对 CFRP的烧蚀过程， 为高流速切向气流下高功率激 光毁伤复合材 料提供理论和模拟依据。 权利要求书5页 说明书9页 附图2页 CN 115440325 A 2022.12.06 CN 115440325 A 1.一种切向气流下激光烧蚀全编织CFRP的仿真方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 第一步： 采用体积平均的方法对材 料的密度、 恒压热容、 热导 率进行均一 化处理； 第二步： 建立流体域和多孔介质域基本控制方程， 以动量守恒定理、 质量守恒定理和能 量守恒定理为基础， 并采用移动网格方法追踪界面退移和烧蚀过程； 第三步： 构造致密结构物 理模型， 追踪烧蚀坑内材料表面的流体速度变化， 通过边界相 似性原理映射到材 料表面， 并替代 原方程的流速项 进行修正； 第四步： 以致密结构为理论依据推导并设置材 料各向异性的热导 率； 第五步： 考虑热解气体的压力变化做功和粘性耗散， 并添加到多孔介质能量守恒方程 进行修正； 第六步： 追踪烧蚀坑内材料表面的流体的温度和压力的演化， 并结合理想气体方程计 算氧气浓度的分布， 并替代 原方程的恒定浓度项 进行修正； 第七步： 追踪材 料表面的达西速度场演化， 对内部力学剥蚀方程进行修 正； 第八步： 设定边界条件和初始值； 第九步： 结合上述推导和计算的速率方程， 设置网格移动条件和 移动速率， 通过有限元 迭代计算， 分析烧蚀过程中各个剥蚀 贡献的演化。 2.根据权利要求1所述的切向气流下激光烧蚀全编织CFRP的仿真方法， 其特征在于， 第 二步中， 流体域计算采用可压缩流体—守恒形式纳维斯 托克斯方程： 上式中， ρair为空气密度， 为空气速度矢量， pair为空气压强， μair为空气运动粘度， F 为力源项， cP， air为空气恒压热容， λair为空气热导率， I为单位矩阵张量， Qvd为粘性耗散项， Qp 为压力功项， 为哈密顿算子 。 3.根据权利要求2所述的切向气流下激光烧蚀全编织CFRP的仿真方法， 其特征在于， 第 二步中， 多孔介质域的基本控制方程结合了修正的傅里叶方程、 单步阿伦纽斯方程、 单相达 西定律公式、 康尼尔 ‑卡曼渗透率模型理论， 具体描述 为： 权　利　要　求　书 1/5 页 2 CN 115440325 A 2上式中ρeff为材料整体等效密度， cp， eff为材料整体等效比热容， LP为热解潜热， ρg、 ρp分 别为热解气 体和树脂的密度， 分别为孔隙率和树脂体积分数， 为热解气体达西 速 度矢量， 为热解反应指前因子， Ep为热解反应 活化能， 为反应末端树脂体积分数， 为 初始树脂体积分数， κ为渗透率， pg为热解气体导致的达西压力， μg为热解气体动力粘度， dparticle为多孔介质的粒径尺寸， R为普适气体常量， T为基体温度， t为计算时间， ξ为热解气 体质量分数， n 为反应级数。 4.根据权利要求3所述的切向气流下激光烧蚀全编织CFRP的仿真方法， 其特征在于， 第 三步中， 构造致密结构力学剥蚀模型， 描述 为： 上式中， vout为外部力学等效剥蚀速率， Dp为树脂基体外部力学剥蚀等速率， Du为外部径 向碳纤维力学剥蚀速率， Df为轴向碳纤维力学剥蚀速率， δ为纤维层与树脂层厚度的比值， ρf、 ρp为碳纤维和树脂的恒定密度， 为碳纤维和树脂气化反应的指前因子， EAf、 EAp为权　利　要　求　书 2/5 页 3 CN 115440325 A 3