Evaluating the Thermal Shock Resistance of SiC-C/CA Composites Through the Cohesive Finite Element Method and Machine Learning

材料科学 热冲击 复合材料 有限元法 结构工程 工程类
作者
Qiping Deng,Yu Xiong,Zhengchun Du,Jinping Cui,Cheng Peng,Zhiyong Luo,Jinli Xie,Hailong Qin,Zhimin Sun,Qingfeng Zeng,Kang Guan
出处
期刊:Applied sciences [Multidisciplinary Digital Publishing Institute]
卷期号:14 (23): 11025-11025
标识
DOI:10.3390/app142311025
摘要

Silicon carbide-coated carbon fiber-reinforced carbon aerogel (SiC-C/CA) composites are ideal for high-temperature applications due to their ability to endure rapid temperature changes without losing structural integrity. However, assessing and optimizing the Thermal Shock Resistance (TSR) of these composites is challenging due to the complexities in measuring thermal and mechanical responses accurately under rapid fluctuations. Herein, we introduce a novel approach combining the cohesive finite element method (CFEM) with machine learning (ML) to address these challenges. The CFEM simulates crack initiation and propagation and captures mechanical behavior under thermal stress, while ML predicts TSR using simulation datasets, reducing the need for empirical trial-and-error processes. Our method achieves a prediction error for coating residual stress within 15.70% to 24.11% before and after thermal shock tests. Additionally, the ML model, developed to predict the average stiffness degradation factor of the SiC coating after three thermal shock cycles, achieves a coefficient of determination (R2) of 0.9171. This combined approach significantly improves the accuracy and efficiency of TSR assessment and can be extended to other coating materials, accelerating the development of high-temperature-resistant materials with optimized TSR for industrial applications.
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