耐火材料结构和性能数模仿真技术
耐火材料的制备及性能表征实验报告
耐火材料的制备及性能表征引言：耐火材料是由固相(包括结晶相和玻璃相)和气孔两部分构成的非均质体，其中各种形状和大小的气孔与固相之间的宏观关系(包括他们的数量和分布结合情况等)构成耐火材料的宏观组织结构。
耐火材料是为高温技术服务的基础材料，具有广泛的应用领域，主要应用于钢铁工业、有色金属工业、建筑材料工业、石油化学工业、机械工业等部门。
所以对于耐火材的研究，对我国的经济发展起着重要的作用，在我们生活中是不可缺少的一部分。
一. 实验目的1.了解耐火材料的原料配方组成及基本操作过程。
2.掌握耐火材料的制作流程及性能测试方法。
3.通过实验操作加强对耐火材料的认识，掌握基本操作方法。
二. 实验原理耐火材料的烧成烧成是耐火制品生产中的最后一道工艺。
制品在烧成过程中发生一系列的物理化学变化，随着这些变化的进行，气孔率降低，体积密度增大，使坯体变成具有一定尺寸、形状和结构强度的制品。
耐火材料的气孔率的测定气孔率=(m3-m1)/(m3-m2)xlOO%m1烧结后的质量m2——抽真空后，在水中的质量m3――拿出水面后，那只擦试一下后的质量三. 实验器材及药品实验器材：台秤、模具、高温电阻炉、浸液槽、ZMD-O2真密度测定仪、抗弯强度测定仪实验药品：硅微粉、水泥、粗粘土、细黏土、刚玉粉、蒸馏水四. 实验步骤l.耐火材料的制备(1)称取300g硅微粉，150g水泥，900g粗粘土，850g细黏土，800g刚玉。
(2)加总质量的6%的蒸馏水混合搅拌均匀。
(3)把混合好的材料加入模具。
(4)常温下静置两天的时间。
2.耐火材料的煅烧(1)将模具中的样品取出，称重，样品2的质量是980g。
(2)把样品2放入高温电阻炉至1250°C煅烧。
3.耐火材料抗弯强度的测定打开试验机，点击实验数据-其他-进行抗弯强度测试-分析-新建-清零-试验开始进行测试4.耐火材料气孔率的测定(1)称取煅烧后的质量为m1。
(2)将样品放入烧杯中，置于真密度测定仪中抽真空，操作3min后将水通入用烧杯中浸没样品并继续抽真空，直至烧杯中的样品不再出现气泡，将样品取出，放入浸液槽中称重，这时质量为m2。
硅质耐火陶瓷制品的仿真模拟研究
硅质耐火陶瓷制品的仿真模拟研究摘要：本研究采用仿真模拟的方法，对硅质耐火陶瓷制品进行研究。
通过对模型的建立和材料特性的设定，我们通过仿真计算的方式获取了硅质耐火陶瓷制品的性能参数，包括热导率、热膨胀系数、断裂韧性等。
研究结果表明，我们的仿真模拟方法能够准确预测硅质耐火陶瓷制品的性能表现，为产品设计和优化提供了一种有效的手段。
1. 引言硅质耐火陶瓷制品具有优异的耐高温性能和化学稳定性，在冶金、玻璃、建材等行业广泛应用。
为了提高硅质耐火陶瓷制品的性能，设计和优化过程中需要准确估计材料的性能参数。
传统的实验方法昂贵且耗时，而仿真模拟则可以提供快速、经济和准确的解决方案。
2. 方法与材料本研究使用了有限元方法和计算流体力学模拟的软件进行仿真模拟。
首先，根据硅质耐火陶瓷制品的几何形状，建立了三维模型。
然后，根据材料的特性，设定了相应的材料参数，包括热导率、热膨胀系数和断裂韧性等。
最后，通过对模型施加热应力和机械应力，进行了多个仿真计算。
3. 结果与讨论通过仿真模拟，我们获得了硅质耐火陶瓷制品的热导率、热膨胀系数和断裂韧性等性能参数。
研究发现，硅质耐火陶瓷制品的热导率随温度的升高而增加，这与实验结果相符。
同时，热膨胀系数的仿真结果也与实验数据吻合良好。
此外，我们还研究了不同应力下硅质耐火陶瓷制品的断裂特性，发现在较高的应力条件下，制品的断裂韧性明显下降。
4. 应用与展望本研究的仿真模拟方法可为硅质耐火陶瓷制品的设计和优化提供支持。
通过调整材料参数和几何形状，可以快速预测制品的性能表现，并选择最佳设计方案。
未来，我们将进一步改进仿真模型和算法，以提高预测精度，并将该方法拓展到其他材料的研究领域。
5. 研究的局限性本研究还存在一些局限性。
首先，我们对硅质耐火陶瓷制品的模型和材料参数进行了简化处理，可能会对仿真结果的准确性产生一定影响。
其次，我们只研究了静态条件下的性能参数，对于动态条件下的行为尚未进行深入研究。
石墨烯耐火材料产品技术与分析
石墨烯耐火材料产品技术与分析
一、背景技术
镁碳耐火材料是钢铁冶炼中常用的一种碳复合耐火材料，其中石墨因具有优异的抗热震和抗侵蚀性能而成为其重要组分之一，但随着目前洁净钢技术、炉外精炼技术、钢铁工业节能减排技术及资源循环利用等技术的不断发展，传统的镁碳耐火材料由于较高的石墨含量(12～20wt％)，也逐步开始无法满足生产要求，主要原因包括：(1)碳的导热系数高，造成含碳耐火材料热损耗大，从而使炼钢能耗增加；(2)高碳含量引发的钢水增碳效应降低了钢材的理化性能；(3)石墨氧化导致材料结构疏松，其高温强度、抗侵蚀性等快速衰减，降低了耐火材料的使用寿命。
针对以上问题，含碳耐火材料的碳含量须减少到适当的低水平，镁碳耐火材料的低碳化(碳含量低于8wt％)的研究发现，镁碳耐火材料降碳后，其抗热震性和抗侵蚀性也都大幅下降，这很难满足实用要求。
近期，研究发现在镁碳耐火材料中引入纳米技术来降低碳含量是制各高性能、低碳化耐火材料的一种重要方法，然而，石墨烯在耐火材料，如石墨烯高昂的价格，纳米材料普遍存在的分散性问题；石墨烯巨大的比表面积所带来的易氧化问题等，严重影响石墨烯的应用。
二、技术实现要素
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种mgal2o4-石墨烯复合耐火材料，本发明还提供了所述mgal2o4-石墨烯复合耐火材
料的制备方法。
钢构件耐火性能仿真模拟研究
论 意 义 和 社 会 意 义 ． 。 ２ Ｊ
１ 理 论 分 析
本文分别 对一根柱 和一根 梁分别进行 了不 同条件下的
ＡＳＳ Ｎ Ｙ 热力耦合分析 ， 以下是分析模型 的具 体尺寸与约束 、
［ 收稿 日期 】 ２ １ ０ ００— ５—２ ８
［ 作者简介 ］ 梅冰晖 （９ ８一） 女， １６ ， 哈尔 滨人 ， 高级工程师 ， 从 事建筑结构设计 与研究工作。
受荷条件。
（ ） 柱高 为 ３ 直径为 ２ ｃ 的圆截面 钢柱 ， １ ｍ， ５ｍ 底部 固
研究受力情 况下钢 构件 的响应特性 ， 要考虑 温度 和 就
定， 上端 受 到 ５ ＭＰ ０ ａ的 平 均压 力 。两端 部 始 终 保 持 室 温
２ ￣ 在 １５～２０ ５Ｃ， ． ． ｍ处 发生 火 灾 ， 灾 温度 分 别 按照 ＩＯ、 火 Ｓ Ｈ Ｒ Ｃ、 ＷＳ曲线 发展 。 （ ） 梁长为 ６ｍ， ２ 横截面为 ｝ ０ ２０简支梁， ４０ｘ ０ 梁的上 表面受 ３ｋ ／ ２ ０ Ｎ ｍ 的分布力 ， 两端保持室温 ２℃ ， １ ２０ｍ处 ５ 在 ～ 发生火灾 ， 火灾温度分别按照 ＩＯ、Ｃ、ＷＳ曲线发展。 Ｓ Ｈ Ｒ
３ 结 果 分 析
为方便数值模拟 ， 研究 中把标准温升 曲线 （Ｓ ＩＯ曲线） 、
３ １ 不 同温升 曲线作用下柱子的内部 位移 与应力 ．
到结 构 顶 层 的 位 移 、 速 度 随 时 间 变 化 、 移 随 层 变 化 、 加 位 加 速 度随 层 变 化 的 反 应 ， 结 构 的 抗 震 性 能 研 究 以 及 合 理 设 对
高效连铸用功能耐火材料发展和研究动向
高效连铸用功能耐火材料发展和研究动向李红霞刘国齐杨彬中钢集团洛阳耐火材料研究院洛阳471039摘要在高效连铸技术发展的推动下，连铸用功能耐火材料的主要进展是使用寿命上有明显提高，开发了复合结构水口解决水口堵塞和适应高侵蚀性钢种连铸，在水口结构上以数值模拟和水模拟结果为优化设计依据，保证流场稳定、连铸工艺稳定和铸坯质量提高。
关键词高效连铸、功能耐火材料、数值模拟、水模拟在实现了高连铸比的发展后，连铸技术的主要发展内容是高效连铸、高品质钢连铸和近终形连铸以提高连铸机生产效率、发展中包冶金和优化结晶器流场减少非金属夹杂提高铸坯质量。
连铸用功能耐火材料(保护套管、整体塞棒、浸入式水口)是连铸技术的关键耐火材料，产品在使用中起着特定的功能作用，如控流作用、吹气搅动作用、防止二次氧化保护浇铸作用、决定钢液在结晶器内的流场分布等。
高速连铸是在保证铸坯质量的前提下提高铸机产量和实现铸机与热轧生产率匹配的重要手段。
拉速的提高，必然导致钢水流速和流量的提高，拉速提高造成结晶器内钢水较大的表面流速和液面波动、为控制钢水流动而采用的电磁制动以及为改善结晶器的传热与润滑而采用的高熔化速度、低熔点、低粘度的保护渣，这些变化都会加剧对功能耐火材料冲刷和侵蚀，要求功能耐火材料提高性能才能够保证高速连铸的高炉次连铸的顺利实现。
同时，高速连铸时液面波动和不稳定性增大，增加了结晶器漏钢和卷渣的几率，增加了夹杂物上浮阻力，对水口防堵和稳流要求提高，高性能、功能化、合理结构的连铸“三大件”是高效连铸的顺利实施的重要保障条件。
在连铸技术发展的推动下，连铸技术的关键耐火材料——功能耐火材料适应高效连铸的高可靠性、高寿命和结晶器流场稳定性要求、也有了很大的发展和进步。
主要进展有：优化材料性能和材料选择明显提高使用寿命，发展材料功能，防堵塞、不污染钢液和减少增碳，应用计算机模拟和水模拟技术设计产品结构优化流场。
1高寿命连铸用功能耐火材料的发展连铸用长水口(保护套管)、整体塞棒、浸人式水口使用条件苛刻，在性能指标、质量稳定性等方面都有着非常高的要求，材质特点是采用抗热震性优异的高档含碳耐火材料，使用特点是一次性使用和制品关键部位的使用效果决定其使用寿命。
新型耐火材料的研究与应用
新型耐火材料的研究与应用随着现代工业的不断发展，耐火材料逐渐成为工业生产中不可或缺的重要材料。
相较于传统耐火材料而言，新型耐火材料不仅具有更好的性能和更长的使用寿命，还可以大幅度提高生产效率和节约能源。
因此，近年来在新型耐火材料的研究和应用方面取得了令人瞩目的成就。
一、新型耐火材料的种类新型耐火材料的种类繁多，其中钢纤维耐火材料、碳化硅耐火材料、碳化硼耐火材料、氮化硼耐火材料、陶瓷耐火材料等常见材料备受研究者青睐。
1. 钢纤维耐火材料钢纤维耐火材料是一种纤维增强的无机材料。
其主要成分为高纯氧化铝和钢纤维，通过化学反应后形成坚硬的凝聚物。
具有高强度、高稳定性、高温承载能力等优点，用于制造高温场合下的炉子和加热炉。
2. 碳化硅耐火材料碳化硅耐火材料是一种高性能、多功能的陶瓷材料。
具有优异的高温抗氧化性、高温强度、刚度、耐磨性和化学稳定性等突出特点。
常被用作耐火炉的衬砌，还可以广泛应用于电子、光电子、航空航天、纺织、化学工业等领域。
3. 碳化硼耐火材料碳化硼耐火材料具备较好的高温稳定性，具有高度的热导率、低热膨胀系数、无极性等特点，同时具有高强度、高硬度、高耐磨性和良好的抗氧化性等优点。
常被用于制造尖端的流程控制产品和高速磨损耗材。
二、新型耐火材料的应用新型耐火材料具有较高的耐磨性、耐腐蚀性、抗温性等优点，在工业生产中的应用非常广泛。
1. 钢铁冶炼业钢铁冶炼业是新型耐火材料最重要的应用领域之一。
钢铁冶炼过程中需要耐高温、耐腐蚀、抗冲刷的耐火材料，新型耐火材料的应用大大提高了生产效率和产品质量，降低了生产成本。
2. 炼油化工炼油化工行业中需要耐高温、耐酸碱、耐腐蚀等特性的耐火材料。
新型耐火材料的应用可以提高反应釜的使用寿命、降低维修成本，同时有助于提高产品质量。
3. 火力发电在火力发电中，锅炉内壁的高温环境需要使用高性能的耐火材料。
新型耐火材料具有较高的耐高温性、抗腐蚀性、抗冲刷性和热轮换失效的能力，可以有效提高热效率、降低燃料消耗、延长机器寿命，确保较高的发电效率。
耐火材料-结构与性能、制备工艺
耐火度不能作为制品使用温度的上限。
一些常用耐火材料原料和制品的耐火度如下：
结晶硅石 1730一1770℃ 高铝砖 1770—2000℃
硅砖
1690一1730℃ 镁砖
2000℃
硬质粘土 1750一1770℃ 白云石砖 2000℃
粘土砖 1610一1750℃
24
1.5.2 荷重软化温度
荷重软化温度是耐火材料在—定的重负荷和热负 荷共同作用下达到某—特定压缩变形时的温度。
重烧线 LV1V0 10% 0 V0
26
1.5.4 耐热震性
热震断裂指材料的固有强度不足以抵抗热冲击温 差引起的热应力而产生的材料瞬时断裂。
热震损伤指在热冲击应力作用下，材料出现开裂、 剥落，直至碎裂或整体断裂的热损伤过程。
高强度、低弹性模量和低的热膨胀系数，有助于 得到高的抗热冲击性。
测定方法：急冷——测强度衰减
耐火材料-结构与性能、制备工艺
41
欲知后事如何。。。 。。。
耐火材料-结构与性能、制备工艺
42
27
1.5.5 其他使用性质
抗渣性：耐火材料在高温下抵抗熔渣及其他熔融 液侵蚀而不易损坏的性能
抗氧化性 抗水化能力
28
思考题： 耐火材料的力学性能、热学性能和使用性能 与耐火材料的组成和结构之间的关系如何？
力学性能
组成
热学性能 ？ 结构
使用性能
29
耐火材料的制备工艺
一、原材料及其制备
二、成型工艺
热 震 性
18
1.4.1 比热容
是计算炉衬蓄热量的重要参数。
cpc0atb2t......
影响炉体的加热和冷却速度，热效率、耐热震性。
19 应用实例： 高炉热风炉蓄热体
两种熔铸耐火材料弹性性能和显微结构的研究
包 围 。第二 种 Ｈ Ｚ材 料 含 有 ９ ％Ｚ０ 和 ６ ４ ｒ２ ％玻 璃
相 。两 种 材 料 中 的氧 化 锆 全 为 单 斜 相 。 图 １显 示
了两 种 材 料 的 典 型 显 微 结 构 。Ａ Ｓ的显 微 结 构 较 Ｚ 为 复 杂 ， 具 有 Ｚ Ｏ 主 晶 粒 和 Ａ ３ ＺＯ 共 晶 成 ｒ １ 一 ｒ ０ 分 ，并 由富 硅 玻璃 相 包 围 。Ｈ Ｚ材 料 只 有或 多 或 少 的玻 璃 相 薄 膜 ，并 填 充 于 ＺＯ 晶 粒 之 间 。 因 此 ， ｒ
四方 ：
・经 过 第 二 阶 段 ，第 ｊ 阶段 中 Ｅ开 始 下 降 ， 同 时 伴 随 着 波 的严 再 衰 减 ，致 使 信 号 不 能 外 推 至
关 键词 ：杨氏模量； ２３ ｒ２ Ｓ ２ ０；ＺＯ ； ｉ ；耐火材料 Ｏ
中图分 类 号 ： Ｑ ７． Ｔ １５１ ２
文 献标 识 码 ：Ａ
文章 编 号 ：１７—７ ２（０８ ６０３ —５ ６３ ７９ ２０ ）０ —０７０
１ 前 言
由于具有优异 的抗侵蚀 性能 ，熔铸耐火 材料
第３卷 第６ ３ 期
２０ ０ ８年 １ ２月
耐 火 与 石 灰
・３ ７・
莫 来 石 一 品石 质 喷 吹用 塞头 砖 的透 气 性 很 稳 定 ， 尖
在 试 验 期 间及 在 钢 厂 应 用 期 间 未 观 察 到 失 去 透 气
玉尖 晶石 质 试样 的抗 渣性 大 于刚 玉 一 来 石 一 晶 莫 尖 石质 试 样 的该 项指 标 。
高温冷却 。产生的 内部应 力对显 微结构造成 破坏 。使 用高温超声波 反射技术可 以测量杨 氏模量 。依照化学和 矿 物成 分、物理一 学转变确定 特征现 象。杨 氏模量受每 相本征特 征 的影响 ，同时相 间的热膨 胀失配 也损坏了 杨 化
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第31卷 第22期2009年11月武 汉 理 工 大 学 学 报JOURNA L OF WUHAN UNIVERSIT Y OF TECHN OLOG Y Vol.31 No.22 Nov.2009DOI :10.3963/j.issn.167124431.2009.22.034耐火材料结构和性能数模仿真技术毛利民(中国建筑材料科学研究总院瑞泰科技股份有限公司,北京100024)摘 要: 论述了耐火材料结构性能数模仿真的基本原理、方法和步骤,并介绍了材料显微结构图像转换和材料有效性质的有限元模型的模拟计算。
说明数模仿真是耐火材料研究和开发应用中的一种重要方法。
关键词: 数模仿真; 显微结构; 有限元模型; 耐火材料中图分类号: TQ 171.6文献标识码: A 文章编号:167124431(2009)2220120204Methods of Numerical Simulation for Microstructure and Behaviorof R efractoryM A O L i 2m i n(Ruitai Materials Technology Co ,Ltd ,China Building Materials Academy ,Beijing 100024,China )Abstract : The basic theory ,method and procedure of numerical simulation for microstructure and behavior of refractory are considered.Both microstructure image conversion as well as FEA model driven to analog and calculate effective material proper 2ties are introduced.It is shown that numerical simulation can be applied as an important tool in research and development of re 2fractory.K ey w ords : numerical simulation ; microstructure ; FEA model ; refractory收稿日期:2009206216.基金项目:“十一五”科技支撑计划项目(2006BAF02A26).作者简介:毛利民(19652),男,教授级高级工程师.E 2mail :maolimin263@耐火材料和隔热材料支持高温窑炉工业的发展,可以减少高温工艺过程对环境的有害影响。
耐火材料在使用中往往经受以下苛刻役使条件:1)温度变化和热震作用;2)气体、液体、熔液和熔渣的化学侵蚀;3)压力、张力、摩擦以及冲击的机械作用。
上述这些复杂的物理、化学作用的变化与组合,既构成制约耐火材料合理选材的役使条件,也是耐火材料新品种开发,促进耐火材料产品升级换代所必须认真对待的环境要素。
在玻璃工业中,耐火材料是影响玻璃熔窑工程投资回报的主要因素之一,也是玻璃熔窑性能和运行稳定保证的关键。
尽管耐火材料在玻璃熔窑设计、建造成本中的比例可能小于3%,但是97%以上的熔窑窑衬的工作性能和运行稳定有赖于耐火材料。
优质耐火材料的耐久性、可靠性是高温工业窑炉炉衬效能及其结构稳定的保障[1]。
耐火材料产品开发一直依靠实验室物理、化学综合分析测试,工业性模拟试验,上窑实测以及耐火材料实际应用经验,以开发适合各种用途的不同品种的耐火材料。
近年来,借助数模仿真对耐火材料显微结构和性能进行精细研究,达到材料结构和性能合理匹配的目的,正成为开发设计优质耐火材料新品种的重要方法之一。
耐火材料数模仿真技术在材料研发过程中具有3大好处:1)降低耐火材料研发和试验成本;2)提升高温设备的设计效果;3)佐证并提供新品种耐火材料性能改善的途径。
由于它在耐火材料新型产品开发生产中的前瞻性、有效性和超常价值,该项技术正日益受到生产企业集团的重视。
1 数模仿真的基本原理和方法1.1 应力均衡理论对于均匀材料而言,内部应力同外部荷载的关系基本不受显微结构的影响。
耐火材料通常是由不均匀的、多相、多孔物质组成,在宏观上不均匀,在微观上则局部均匀。
尽管耐火材料显微结构对其内部应力有直接影响,在外部荷载的作用下,材料内部区域某一方向相关应力的传递取得平衡后,将与外部同一方向的荷载均衡等效。
在材料细观力学中,材料显微结构的有效刚度与相应结构中应变张量线性相关σ=Ee (ε)(1)式中,σ为结构刚度,ε为结构荷载,小括号代表平均的意思,Ee 为应变张量。
均匀材料内部有效应力相当于外部荷载与区域面积的比值。
而非均匀材料内部应力的计算较为复杂,需要采用微积分的方法,材料内部的有效应力和有效应变取决于施加显微结构单元上的荷载和位移应变,计算方程如下εii =1V ∫V εii (x )d x(2)σii =1V ∫Vσii (x )d x (3)式(2)和式(3)的左边分别指有效应力和有效应变的均值,右边中的V 为诸单元的总体积,εii 为单元荷载,σii 为位移应变;x 为系统坐标。
进而,可以算出在相同的计算体积下材料的弹性模量(见式(4))。
E V ii =εii /σii(4)1.2 系综平均方法(E nsemble Averaging)在数学统计意义上,通常将材料显微结构划分为大小一致的方形结构单元。
大小、方向和形状相同的,但中心位置或区位不同的一组结构单元,即是一个样本系综。
根据结构基本规律、单元的空间分布及其弹性模量,进行适当加和平均就可以算出这组系综结构单元在外部荷载作用下的总弹性模量,参见式(5)。
E 311=1N(E V 111+E V 211+…)(5) 该计算结果可与材料在物理性能测试中如三点抗折实验的相应数值比较。
图1所示为耐火材料显微结构的方形结构单元及系综分组示意图。
在对耐火材料这类包含无序、不规则组织结构的不均匀材料进行数理统计研究中,系综平均方法具有重要作用。
1.3 结构代表元的选取材料显微结构代表元是指从宏观上看方形结构单元足够小,相当于不均匀材料其中一点,从微观上看它又足够大,包含众多多相、特征物质,如小的夹杂物、单晶等。
从而,它可以有效代表材料实际显微结构。
它的选取实际上经过了“宏观2微观2再宏观”的过程。
图1中,结构单元V 4即是耐火材料显微结构的代表元。
宏观上,材料结构代表元的体积微小。
它的空间位置坐标可记为X ,那么所有的连续物理量如温度、热流、应力和应变等,就可表示为X 的函数。
表述结构代表元区内的相应物理量,则还需使用区域狭义坐标x ,如温度T 表示为T =T (X ,x )。
材料结构代表元X 轴向有效形变可用式(6)计算,式中,V 为结构代表元的体积,θ(X ,x )为代表元内结构单元的形变。
在材料其它有效性能的计算中也要用到取体积均值这样类似的方法。
θ(X )=1V ∫V θ(X ,x )d x (6)121第31卷 第22期 毛利民:耐火材料结构和性能数模仿真技术 1.4 基质性能的推算耐火材料的大多数骨料组成的性能可以从有关文献中查找获得。
但其基质有效性能通常未知,甚至通过物理实验也难以获得。
耐火材料基质有效性能受材料加工生产过程以及储存条件影响,如骨料的紧密堆积程度和制品吸潮水化作用都会导致材料基质的有效性能发生变化。
耐火材料基质有效性能的推算可以利用广义自洽法[2](GSCS 法)、相互作用直推法(IDD 法)和近似法等。
当基质具有简单、弥散型拓扑结构,基质有效性能的推算可采用自洽法(SCS )或广义自洽法。
相互作用直推法适用于含有多相、任意体积分数、各种几何形状和分布的夹杂的复杂基质,并且各种物相可以是任意各向异性的。
在实际应用中,根据各种基质组成的稀疏解,给出相应的IDD 估计值具有很好的精度。
当材料基质组成与骨料一致,气孔率与材料性能线性相关,可用近似法计算基质的有效性能。
式(7)中F matrix 为基质有效性能,F aggregate 为骨料有效性能,f m 为材料相似因子。
F matrix =f m ×F aggregate (7)2 数模仿真的步骤 耐火材料数模仿真的基本步骤如图2所示。
首先对材料进行结构分析获取显微结构图像,接着对图像数字化处理后,按有限元分析软件所需数据格式存储进行显微结构图像转换,同时进行材料基本物理性能测试。
然后利用有限元数理模型计算或倒推材料的未知有效性能,最后即是模型灵敏性分析,利用校验过的材料有限元模型,改变材料显微结构输入参数和虚拟测试条件,取得各种模拟结果,从而得以全面评价耐火材料的结构和性能。
2.1 显微结构分析与图像转换在耐火材料显微结构分析中,样品须经仔细研磨抛光预处理,不得有染色等物质沾染。
从而使结构颗粒边界清晰,细颗粒分辨率高,各物相之间的对比度明显,有利于分辨材料结构中的骨料、基质和气孔等。
反光显微镜一般对区分基质中的细颗粒较困难,偏光显微镜可以获得对比度高的显微图像。
用于模型的显微结构图像视需要可以来自材料的实际结构图像,也可以来自它的模拟结构图像。
后者是根据材料实际结构图像的原始几何特征如球形、盘板形、三角锥形等,创建的3D 结构图像,其中包含气孔、颗粒之间的充填基质。
清晰的显微结构图像对图像数字化的成功至关重要。
在显微结构分析中得到的显微结构图像如SEM 图像是光栅图像,必须将其转换为按一定坐标、以线段和圆弧等几何特征表征的矢量图像。
图3表示含ZrO 2材料显微结构图像由光栅图像向矢量图像的转换。
借助光栅2矢量图像转换器,可以实现显微结构图像的数字转换。
矢量图像在放大时,它的边缘线不会模糊虚化仍是清晰、光滑的。
它可以用CAD 软件包打开,也可按有限元分析软件输入数据的格式存储,方便建立有限元分析模型。
2.2 模型计算在有限元数理模型分析计算过程中,对材料的抗折、抗拉条件进行模拟,可计算材料的内部应力。
实际上,由于进行耐火材料抗拉实验的操作相当困难,才代之以材料的三点抗折实验。
至于数理模型则不存在这221 武 汉 理 工 大 学 学 报 2009年11月个问题。
数理模型模拟的抗折条件是固定模型显微结构一侧的一点,在对侧施加剪切力,是理想的抗折状态。
从而,得到材料内部应力的奇异解。
对抗拉条件的模拟也是单向性的,即沿垂直和水平方向,得出X 、Y 轴2个主方向材料的弹性模量。
通过计算材料的有效应力和有效应变,也可确定材料的弹性模量(见式(4))。
用于模型计算的材料显微结构图像放大倍数通常为50和250倍。