2003年6月 西北工业大学学报 第21卷第3 Journal of Northw estern Po ly techn ical U niversity Vol 21No 3 碳/′碳复合材料等温CVI工艺有限 元模拟及可视化研究 顾正彬,李贺军,李克智,李爱军 (西北工业大学材料科学与工程系,陕西西安710072) 摘要:制备成本高是制约碳/碳复合材料应用的主要因素,建立分析模型是一条降低其开发和制 备成本的重要途径。根据等温CⅤI工艺的传热与传质特点,以筒状零件为研究对象,利用有限元方 法对其沉积过程的密度分布状态进行了分析与模拟,并且基于Ⅴ isual c++和 OpenGL编程技术, 建立了有限元模拟可视化系统,利用该系统,可以比较直观地观察零件的致密化效果和孔隙分布情 况,以进行准确的科学分析,有利于正确理解CVI工艺机理,并实现改进和优化。 关键词碳/碳复合材料,化学气相渗透,有限元,可视化,Open(L 中图分类号:TB332 文献标识码A 文章编号:10002758(2003)03-0360-04 实验理论和计算是科学研究的三个主要方法,11等温CVI工艺传质有限元方程 它们之间相辅相成又互相独立、彼此不可或缺。而科 以筒状零件为模拟对象,根据其对称性,选取圆 学计算要获得发展,必须实现计算结果的可视化,只柱坐标系进行分析,微元体如图1所示。 有具有可视化能力的科学计算才能真正成为科学发 (r+dr)d 展与理解的强有力手段。化学气相渗透(VD,尤 其是等温CVL是目前制备高性能碳/′碳复合材料的 主要工艺之一,但是由于等温CVI存在致密化周期 长、效率低等缺点,致使碳/碳复合材料的制备成本 极高,极大地限制了其应用范围。通过建立模型对等 温CVI工艺过程进行有效的分析,深化对其工艺及 关键参数的理解和辨识,是实现优化CVI工艺、提 图1质量守恒微元体 高材料性能的一条可行的途径。而且CVI模拟研究 可避免大量的尝试性实验和资源的浪费,也有助于 在进行单元分析时,首先作如下假设13 将CVI技术扩展到其它大型、复杂制件的制备21 (1)预制体内的温度恒定,不考虑碳氢气体热 以筒状零件为研究对象根据等温CV1工艺的传质解反应对系统的热量贡献即等温CVI过程 特点,导出了传质有限元(FM)列式及单元刚度矩 (2)预制体内的主要传质方式是扩散和对流 阵,对其沉积规律进行了FM模拟与分析,最后基 (3)不考虑切向的传质过程。 于Ⅴ usuaL c++和open(编程技术,实现了FEM (4)在致密化的任一阶段,同一单元内的温度、 模拟结果的可视化。 气体流速、孔隙结构、沉积情况等参数均相同,同一 单元内不发生宏观的传质现象 等温CVI有限元分析 (5)在微小的时间增量内,CVI致密化过程中 的扩散传质可视为稳态过程 收稿日期2002-04-25 基金项目:国家自然科学基金(50072019)和航空基金(99G53092)资助 作者简介:顾正彬(1973-),西北工业大学博士生,主要从事碳碳复合材料CVI工艺的研究。 c1994-2010chinaAcademicournalElectronicPublishingHouseallrightsreservedhp://www.cnki.ner
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 碳ö碳复合材料等温CV I 工艺有限 元模拟及可视化研究 α 顾正彬, 李贺军, 李克智, 李爱军 (西北工业大学 材料科学与工程系, 陕西 西安 710072) 摘 要: 制备成本高是制约碳ö碳复合材料应用的主要因素, 建立分析模型是一条降低其开发和制 备成本的重要途径。根据等温CV I 工艺的传热与传质特点, 以筒状零件为研究对象, 利用有限元方 法对其沉积过程的密度分布状态进行了分析与模拟, 并且基于V isual C+ + 和OpenGL 编程技术, 建立了有限元模拟可视化系统, 利用该系统, 可以比较直观地观察零件的致密化效果和孔隙分布情 况, 以进行准确的科学分析, 有利于正确理解CV I 工艺机理, 并实现改进和优化。 关 键 词: 碳ö碳复合材料, 化学气相渗透, 有限元, 可视化,OpenGL 中图分类号: TB332 文献标识码: A 文章编号: 100022758 (2003) 0320360204 实验、理论和计算是科学研究的三个主要方法, 它们之间相辅相成又互相独立、彼此不可或缺。而科 学计算要获得发展, 必须实现计算结果的可视化, 只 有具有可视化能力的科学计算才能真正成为科学发 展与理解的强有力手段[1 ]。化学气相渗透(CV I) , 尤 其是等温CV I, 是目前制备高性能碳ö碳复合材料的 主要工艺之一, 但是由于等温CV I 存在致密化周期 长、效率低等缺点, 致使碳ö碳复合材料的制备成本 极高, 极大地限制了其应用范围。通过建立模型对等 温 CV I 工艺过程进行有效的分析, 深化对其工艺及 关键参数的理解和辨识, 是实现优化 CV I 工艺、提 高材料性能的一条可行的途径。而且CV I 模拟研究 可避免大量的尝试性实验和资源的浪费, 也有助于 将 CV I 技术扩展到其它大型、复杂制件的制备[2 ]。 以筒状零件为研究对象, 根据等温CV I 工艺的传质 特点, 导出了传质有限元(FEM ) 列式及单元刚度矩 阵, 对其沉积规律进行了 FEM 模拟与分析, 最后基 于V isual C+ + 和OpenGL 编程技术, 实现了 FEM 模拟结果的可视化。 1 等温CV I有限元分析 1. 1 等温CV I工艺传质有限元方程 以筒状零件为模拟对象, 根据其对称性, 选取圆 柱坐标系进行分析, 微元体如图 1 所示。 图 1 质量守恒微元体 在进行单元分析时, 首先作如下假设[3 ] (1) 预制体内的温度恒定, 不考虑碳氢气体热 解反应对系统的热量贡献, 即等温CV I 过程。 (2) 预制体内的主要传质方式是扩散和对流。 (3) 不考虑切向的传质过程。 (4) 在致密化的任一阶段, 同一单元内的温度、 气体流速、孔隙结构、沉积情况等参数均相同, 同一 单元内不发生宏观的传质现象。 (5) 在微小的时间增量内, CV I 致密化过程中 的扩散传质可视为稳态过程。 2 0 0 3 年6 月 第21卷第3期 西 北 工 业 大 学 学 报 Journal of No rthw estern Po lytechnical U niversity June 2003 Vo l. 21 No. 3 α 收稿日期: 2002204225 基金项目: 国家自然科学基金(50072019) 和航空基金(99G53092) 资助 作者简介: 顾正彬(1973- ) , 西北工业大学博士生, 主要从事碳ö碳复合材料 CV I 工艺的研究
第3期 顾正彬等碳碳复合材料等温CVI工艺有限元模拟及可视化研究 (6)预制体为各向同性体。 12FEM计算网格和边界条件 根据质量守恒原理,有 根据筒状零件的对称性,将其截面划分为300 J:-J,+ardr(r+dr)d0=+ 个单元,共981个节点计算时的网格如图2所示。 drd0-J:+d= 0 drdθ+UCr+“drd0 U+ a:dr+ 2 Cdrde- KsC(D) 式中,J,为r方向的扩散通量mol/s·m2);J:为z 方向的扩散通量mol/s·m2);U为气体在z方向的 图2FEM计算网格 流速(m/s);C为气体的浓度( mol/m3);K,为气体在 单位固体表面积上热解反应的一级速率常数 根据筒状零件和CⅤI工艺的特点,规定计算过 m/);S,为单元内单位体积表面积m)。 程中的边界条件为 根据Fck第一定律 ac J D 时,C=C 式中,D为扩散系数m27/s)。 计算时分别取m=15mm,R0=25mm,Ho= (1)式最终可写为 30mm,Uo=2358mm/s其中m、Ro分别是预制 体的内、外半径,H是预制体的高度或厚度Co是预 +Da22 KS,C= 0 制体外表面气态前驱体的浓度,U0是气体在炉内的 流速。 根据伽辽金法建立FM传质方程,如下式所示 ∫DBd:∫oNa2d+ 2 Open gL编程原理 Ksn NdV)C=0 OpenGL (Open Graph icsL ibrary)是近几年发 (K1+K2+K3)C=0 (3)展起来的一个性能卓著、通用共享的开放式三维图 式中,B为几何矩阵 形标准。作为图形硬件的软件接口, OpenGL由几百 aN aN, aN_ aNs aNs aN, aN 个指令或函数组成,这些库函数被封装在 aN aN aN aN ans aN s aN aNs opengl32dl动态链接库中,其指令解释模型是客 户/服务器模式,即客户(试图用 OpenGl进行绘 N为形函数矩阵,计算时用四边形八节点等参单元制工作的应用程序)向服务器 OpenGL内核)发布 NI N2 N3 N4 NS N6 N7 N 命令,这些Open(L命令则由服务器来解释 OpenGL可以在具有不同图形能力和性能的图 D为扩散系数矩阵:D= 0DJK,K2K3分别形工作站平台或微机上运行,其绘图原理如图3所 为扩散传质、对流传质和反应动力学单元刚度矩阵 其中 回删 B DB dI 光化 ksn ndI 工素操饮谷像 整体刚度矩阵为K=∑(K1+K2+K) 图3 Open GL绘制原理 201994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp:/hwwww.cnki.ner
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net (6) 预制体为各向同性体。 根据质量守恒原理, 有 J rrdΗdz - J r + 5J r 5 r dr (r + dr) dΗdz + J z r + dr 2 drdΗ- J z + 5J z 5 z dz õ r + dr 2 drdΗ+ U C r + dr 2 drdΗ- U + 5U 5 z dz r + dr 2 CdrdΗ= K sS vC (1) 式中, J r 为 r 方向的扩散通量(mo lösõm 2 ); J z 为 z 方向的扩散通量(mo lösõm 2 ); U 为气体在 z 方向的 流速(m ös); C 为气体的浓度(mo löm 3 ); K s 为气体在 单位固体表面积上热解反应的一级速率常数 (m ös); S v 为单元内单位体积表面积 (m - 1 )。 根据 Fick 第一定律 J r = - D ij 5C 5 r J z = - D ij 5C 5 z 式中, D ij 为扩散系数(m 2ös)。 (1) 式最终可写为 D ij r 5 5 r r 5C 5 r + D ij 5 2 C 5 z 2 - 5U 5 z C - K sS vC = 0 (2) 根据伽辽金法建立 FEM 传质方程, 如下式所示 ∫( V eB TDB dV - ∫V eUN 5N T 5 z dV + ∫V eK sS vN TN dV )C e = 0 即 (K1 + K2 + K3)C e = 0 (3) 式中, B 为几何矩阵 B = 5N 1 5 r 5N 2 5 r 5N 3 5 r 5N 4 5 r 5N 5 5 r 5N 6 5 r 5N 7 5 r 5N 8 5 r 5N 1 5 z 5N 2 5 z 5N 3 5 z 5N 4 5 z 5N 5 5 z 5N 6 5 z 5N 7 5 z 5N 8 5 z N 为形函数矩阵, 计算时用四边形八节点等参单元 N = N 1 N 2 N 3 N 4 N 5 N 6 N 7 N 8 D 为扩散系数矩阵: D = D 1 0 0 D 2 ; K1, K2, K3 分别 为扩散传质、对流传质和反应动力学单元刚度矩阵, 其中 K1 =∫V eB TDB dV K2 = - ∫V eUN 5N T 5 z dV K3 =∫V eK sS vN TN dV 整体刚度矩阵为 K = ∑ n i= 1 (K1 + K2 + K3) 。 1. 2 FEM 计算网格和边界条件 根据筒状零件的对称性, 将其截面划分为 300 个单元, 共 981 个节点; 计算时的网格如图 2 所示。 图 2 FEM 计算网格 根据筒状零件和 CV I 工艺的特点, 规定计算过 程中的边界条件为 r = r0 或 r = R 0 时, C = C0 z = 0 时, C = C0, U = U 0 z = H 0 时, C = C0 计算时分别取 r0 = 15 mm , R 0 = 25 mm , H 0 = 30 mm , U 0 = 2. 358 mm ös。其中 r0、R 0 分别是预制 体的内、外半径; H 0 是预制体的高度或厚度; C0 是预 制体外表面气态前驱体的浓度; U 0 是气体在炉内的 流速。 2 OpenGL 编程原理 OpenGL (Open Graph icsL ib rary) 是近几年发 展起来的一个性能卓著、通用共享的开放式三维图 形标准。作为图形硬件的软件接口,OpenGL 由几百 个 指 令 或 函 数 组 成, 这 些 库 函 数 被 封 装 在 opengl32. dll 动态链接库中, 其指令解释模型是客 户ö服务器模式[4 ] , 即客户(试图用OpenGL 进行绘 制工作的应用程序) 向服务器(OpenGL 内核) 发布 命令, 这些OpenGL 命令则由服务器来解释。 OpenGL 可以在具有不同图形能力和性能的图 形工作站平台或微机上运行, 其绘图原理如图 3 所 示。 图 3 OpenGL 绘制原理[5 ] 第 3 期 顾正彬等: 碳ö碳复合材料等温 CV I 工艺有限元模拟及可视化研究 ·361·
362 西北工业大学学报 第21卷 图形学算法,这对复杂工件的模拟可视化尤为重要。 3结果与分析 图5为在950℃下,沉积100h的FHM模拟可 视化结果,利用不同的颜色来表征预制体各部分的 基于上述CVI工艺的FM分析与Opem(技密度情况从图中可清楚地观察到在CvI过程中 术,编写了FM模拟及其可视化实现程序,其中碳/碳复合材料的致密化进程及密度分布状况。由于 FM模拟计算部分采用 FORTRAN语言编写,可丙烯、甲烷等碳氢气体优先在靠近工件表面部分沉 视化按事后处理( Post-Processing)方式实现。 积,造成工件中心部位密度较低,形成一定的密度梯 图4为FM模拟结果与实验结果的对比曲度,实验及模拟结果均表明,这种密度梯度与多种因 线,实验条件为,前驱碳氢气体为丙烯,用氮气稀释,素有关如沉积温度预制体纤维体积分数以及碳氢 沉积温度为950℃预制体为3k碳布叠层,厚度为气体与稀释气体的流量和比率等。研究表明,这 8mm,纤维体积分数r为α5s沉积设备为自制些因素也决定了热解碳基体的沉积速率组织结构 50kW等温CVI炉,沉积室炉压P为5067Pa 最终将决定材料的性能。以沉积温度为例,随着沉积 温度升高,热解碳的沉积速率明显加快,图6为 FHM模拟得到的沉积温度与沉积速率之间的关系 (=100h)。由于沉积工艺的复杂性和沉积周期较 计算结果 实验结果 长,这些因素对碳/碳复合材料的影响也是复杂而多 变的,要获得所有的因素对CVI工艺的影响规律几 乎是不可能的,CVI工艺模拟提供了一条有效的途 沉积时间/h 径,由于模拟过程中既有大量的初始信息需要加工 同时也产生相当数量的结果信息,可视化可以加深 图4FHM模拟结果与实验结果的对比曲线 对这些信息的理解和利用,因此也同样非常重要 可以看出,模拟结果与实验结果基本相符,预制 体密度随沉积时间的延长而增加的趋势也保持 致。由于预制体的初始状态不可能完全相同,实验过 程沉积参数也难以精确控制,所以实验结果的分散 性较大,在不同的沉积时间下,模拟结果一般和实验 所能得到的最高沉积密度接近,其原因可能是在进 行FEM分析过程中,没有考虑到在每个不同的沉 15590 积阶段,各个影响因素的作用并不完全一致随着预 制体密度的增加,传质方式也在发生改变,传质 FEM方程也是建立在许多假设的基础之上,这也是 图5沉积时间r100h仿真结果(T=950℃) 造成这种模拟结果较实验结果偏大的主要原因,另 外,这也反应出现阶段的等温CVI致密化工艺尚存 在较大的改进空间。考虑到CVI工艺的复杂性,完 全可以认为所进行的FM分析是准确而且有效 的。 在FEM分析研究的基础上,利用 OpenGL强 大的图形功能,实现了其计算结果的可视化 OpenGL函数库具有丰富的图元绘制象素操作、颜 色设置等函数,既可完成一般的图形绘制,如点直 图6沉积温度对CVI工艺的影响规律 线、曲线和多边形,也可完成复杂曲面的造型,还可 以进行图形变换、光照、材质和雾化等复杂的计算机 201994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://wwncnki.net
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 3 结果与分析 基于上述CV I 工艺的 FEM 分析与OpenGL 技 术, 编写了 FEM 模拟及其可视化实现程序, 其中 FEM 模拟计算部分采用 FORTRAN 语言编写, 可 视化按事后处理(Po st2Processing) 方式实现。 图 4 为 FEM 模拟结果与实验结果的对比曲 线, 实验条件为, 前驱碳氢气体为丙烯, 用氮气稀释; 沉积温度为 950℃; 预制体为 3 k 碳布叠层, 厚度为 8 mm , 纤维体积分数V f 为 0. 55; 沉积设备为自制 50 kW 等温CV I 炉, 沉积室炉压 P 为 5 067 Pa。 图 4 FEM 模拟结果与实验结果的对比曲线 可以看出, 模拟结果与实验结果基本相符, 预制 体密度随沉积时间的延长而增加的趋势也保持一 致。由于预制体的初始状态不可能完全相同, 实验过 程沉积参数也难以精确控制, 所以实验结果的分散 性较大, 在不同的沉积时间下, 模拟结果一般和实验 所能得到的最高沉积密度接近, 其原因可能是在进 行 FEM 分析过程中, 没有考虑到在每个不同的沉 积阶段, 各个影响因素的作用并不完全一致; 随着预 制体密度的增加, 传质方式也在发生改变; 传质 FEM 方程也是建立在许多假设的基础之上, 这也是 造成这种模拟结果较实验结果偏大的主要原因; 另 外, 这也反应出现阶段的等温CV I 致密化工艺尚存 在较大的改进空间。考虑到CV I 工艺的复杂性, 完 全可以认为所进行的 FEM 分析是准确而且有效 的。 在 FEM 分析研究的基础上, 利用OpenGL 强 大 的 图 形 功 能, 实 现 了 其 计 算 结 果 的 可 视 化。 OpenGL 函数库具有丰富的图元绘制、象素操作、颜 色设置等函数, 既可完成一般的图形绘制, 如点、直 线、曲线和多边形, 也可完成复杂曲面的造型, 还可 以进行图形变换、光照、材质和雾化等复杂的计算机 图形学算法, 这对复杂工件的模拟可视化尤为重要。 图 5 为在 950℃下, 沉积 100 h 的 FEM 模拟可 视化结果, 利用不同的颜色来表征预制体各部分的 密度情况, 从图中可清楚地观察到在 CV I 过程中, 碳ö碳复合材料的致密化进程及密度分布状况。由于 丙烯、甲烷等碳氢气体优先在靠近工件表面部分沉 积, 造成工件中心部位密度较低, 形成一定的密度梯 度, 实验及模拟结果均表明, 这种密度梯度与多种因 素有关, 如沉积温度、预制体纤维体积分数以及碳氢 气体与稀释气体的流量和比率等。研究表明[6, 7 ] , 这 些因素也决定了热解碳基体的沉积速率、组织结构, 最终将决定材料的性能。以沉积温度为例, 随着沉积 温度升高, 热解碳的沉积速率明显加快, 图 6 为 FEM 模拟得到的沉积温度与沉积速率之间的关系 (t= 100 h)。由于沉积工艺的复杂性和沉积周期较 长, 这些因素对碳ö碳复合材料的影响也是复杂而多 变的, 要获得所有的因素对CV I 工艺的影响规律几 乎是不可能的, CV I 工艺模拟提供了一条有效的途 径, 由于模拟过程中既有大量的初始信息需要加工, 同时也产生相当数量的结果信息, 可视化可以加深 对这些信息的理解和利用, 因此也同样非常重要。 图 5 沉积时间 t= 100 h 仿真结果(T = 950℃) 图 6 沉积温度对 CV I 工艺的影响规律 ·362· 西 北 工 业 大 学 学 报 第 21 卷
第3期 顾正彬等碳碳复合材料等温CVI工艺有限元模拟及可视化研究 与实验结果相一致。 结论 基于isu 和O 编程技术,实现 了αVI工艺的FEM模拟的可视化,使模拟效果得 通过对等温CVI工艺传质过程的分析,建立了以加强提高了对CVI工艺沉积机理的认识对工 碳/碳复合材料筒状零件FEM分析模型,模拟结果艺的改进和优化具有一定的指导意义 参考文献 [1]刘晓强科学可视化的研究现状与发展趋势工程图学学报,1997,(2-3):124←-130 [2]侯向辉,李贺军,李克智等单向碳/碳复合材料CVI致密化模拟研究复合材料学报,1999。16(2):129-134 [3] Li Kezhi, LiHejun, J ang Kaiyu, et al Numerical Sm ulat in of lso them al Cha ical V apor hnfiltrat on Process in Fabricaton of Carbon-Carbon Composites by Finite E lement ethod Science n China (Series E), 2000, 43(1): 77- [4] SegalM, A keley k The OpenGL Graphics System: A Specification (V erson 1. 2). U SA: Sil icon Graph ics Inc, 1998, 5 [5] SegalM, A keley K The Open GL Graph ics System: A Specificatin (V ersin 1 2). USA: Silicon Graphics Inc, 1998, 11 [6] Benzinger W, Huttinger K J. Chem istry and K inetics of Chem ical Vapor Infiltratin of Py rocarbon-V I-M echan ical and Structural Properties of Infiltrated Carbon F iber Felt Carbon, 1999, 37: 131r 1322 [7 BruggertM, Hu Z, Huttinger KJ. Chem istry and K inetics of Chem ical V apor Deposit on of Pyrocarbon-V I--Influe nce of Tamperature U sing M ethane as a Carbon Source Carbon, 1999, 37: 202r- 2030 Simulation and v isua lization of Iso thermal cvi Processes of Carbon/Carbon Com posites Gu Zheng in, L iHejun,L i Kezhi, L iA ijun Department ofM ater ials Science and Eng ineer ing, Northw estern Po ly techn ical U niversity, Xian 710072) Abstract Manufacturing of C/C com posites w ith iso them al CV I(chem ical vapor infiltration) process co stly and thus lim its commercial app lications of C/c compo sites V isualization of iso themal CV I processes can, in our op in ion, be highly effective in reducing co st of C/C com posites A cco rd ing to the m ass transport characteristics of iso them al Cv I processing of C/C com posites, we app lied FEM(finite element m ethod) to analyzing and sm ulating the densif icat n of the tube of C/C com po sites Of course such analy sis and sm ulation required the ind isp en sab le help of two If too ls: the recent C+ language nd the very recent OpenGL (Open Graph ics L ibrary ) Thus we could perfom very effective sc ient ific analy sis because the effect of densif ication and of distribution of po ro sit ies could be exp ressed very clearly and directly. U sing our visualizatin techn ique, we expect that we can reduce num ber of exper m ents in developm ent, thus reduc ing deve lopm ent cost, and we expect that we can reduce the tme of densification, thus reduc ing m anufactur ing cost Key words: C/C(carbon/carbon)compo sites, CV I(chem ical vapor infilt ration), FEM(finite elem ent m ethod), visualization, OpenGL (Open grap h ics L ibrary o1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllnightsresered.hup://www.cnki.ner
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 4 结 论 通过对等温CV I 工艺传质过程的分析, 建立了 碳ö碳复合材料筒状零件 FEM 分析模型, 模拟结果 与实验结果相一致。 基于V isual C+ + 和OpenGL 编程技术, 实现 了 CV I 工艺的 FEM 模拟的可视化, 使模拟效果得 以加强, 提高了对 CV I 工艺沉积机理的认识, 对工 艺的改进和优化具有一定的指导意义。 参考文献: [1 ] 刘晓强. 科学可视化的研究现状与发展趋势. 工程图学学报, 1997, (2- 3): 124～ 130 [2 ] 侯向辉, 李贺军, 李克智等. 单向碳ö碳复合材料 CV I 致密化模拟研究. 复合材料学报, 1999, 16 (2): 129～ 134 [3 ] L i Kezh i, L i Hejun, Jiang Kaiyu, et al. N um erical Sim ulation of Iso therm al Chem ical V apo r Infiltration P rocess in Fabrication of Carbon2Carbon Compo sites by F inite Elem ent M ethod. Science in Ch ina (Series E) , 2000, 43 (1): 77～ 85 [4 ] SegalM , A keley K. The OpenGL Graph ics System: A Specification (V ersion 1. 2). U SA : Silicon Graph ics Inc, 1998, 5 [5 ] SegalM , A keley K. The OpenGL Graph ics System: A Specification (V ersion 1. 2). U SA : Silicon Graph ics Inc, 1998, 11 [ 6 ] Benzinger W , Huttinger K J. Chem istry and Kinetics of Chem ical V apo r Infiltration of Pyrocarbon2V I——M echanical and Structural P roperties of Infiltrated Carbon F iber Felt. Carbon, 1999, 37: 1311～ 1322 [7 ] B ruggertM , Hu Z, Huttinger KJ. Chem istry and Kinetics of Chem ical V apo r Depo sition of Pyrocarbon2V I—— Influe nce of Temperature U sing M ethane as a Carbon Source. Carbon, 1999, 37: 2021～ 2030 Simulation and Visualization of Isothermal CVI Processes of CarbonöCarbon Composites Gu Zhengb in, L i H ejun, L i Kezh i, L i A ijun (Departm ent of M aterials Science and Engineering, No rthw estern Po lytechnical U niversity, X i′an 710072) Abstract: M anufactu ring of CöC compo sites w ith iso therm al CV I (chem ical vapo r infiltration) p rocess is co stly and thu s lim its comm ercial app lication s of CöC compo sites. V isualization of iso therm al CV I p rocesses can, in ou r op in ion, be h igh ly effective in reducing co st of CöC compo sites. A cco rding to the m ass tran spo rt characteristics of iso therm al CV I p rocessing of CöC compo sites, w e app lied FEM (fin ite elem en t m ethod) to analyzing and sim u lating the den sification of the tube of CöC compo sites. O f cou rse, such analysis and sim u lation requ ired the indispen sab le help of two IT too ls: the recen t C+ + language and the very recen t OpenGL (Open Graph ics L ib rary). Thu s w e cou ld perfo rm very effective scien tific analysis becau se the effect of den sification and of distribu tion of po ro sities cou ld be exp ressed very clearly and directly. U sing ou r visualization techn ique, w e expect that w e can reduce num ber of experim en ts in developm en t, thu s reducing developm en t co st, and w e expect that w e can reduce the tim e of den sification, thu s reducing m anufactu ring co st. Key words: CöC (carbonöcarbon) compo sites, CV I (chem ical vapo r infiltration ) , FEM (fin ite elem en t m ethod) , visualization, OpenGL (Open Graph ics L ib rary) 第 3 期 顾正彬等: 碳ö碳复合材料等温 CV I 工艺有限元模拟及可视化研究 ·363·