航空发动机陶瓷基复合材料疲劳迟滞机理与模型研究进展

对陶瓷基复合材料疲劳迟滞机理与模型的研究进展进行综述。首先,简要回顾了陶瓷基复合材料在航空发动机上的应用情况,综述了单向、铺层和编织陶瓷基复合材料细观疲劳失效模式与疲劳迟滞机理。总结出纤维增强陶瓷基复合材料基本的细观失效模式是:基体裂纹、纤维/基体界面脱粘和纤维断裂、铺层陶瓷基复合材料中的铺层/铺层界面脱粘以及编织陶瓷基复合材料中的纱线/纱线界面和纱线/基体界面脱粘。脱粘后的各类界面在循环载荷下的界面滑移是导致疲劳迟滞行为的根本原因。然后,详细分析了陶瓷基复合材料疲劳迟滞行为力学建模研究历史与现状,指出了其中存在的问题。最后,对陶瓷基复合材料疲劳迟滞行为研究的发展趋势进行了展望。     

三维编织复合材料力学性能分析与预估

本文用细观力学的方法对四步法１：１编织复合材料的力学性能进行了详细研究，导出了它的宏观平均力学性能与编织结构参数、基体和纤维性能的关系，并进行了实验验证，可以用它预估编织复合材料的宏观平均力学性能，作为编织复合材料结构分析的依据。     

2.5维编织复合材料弹性性能的理论研究

以2.5维编织复合材料细观几何结构的深入研究为基础,详细分析了其单元体模型。采用圆形纤维束截面和经纱沿正弦曲线分布的假设,建立了基于刚度平均的2.5维编织复合材料弹性性能分析预报模型,并采用M atlab编程用于计算该类材料的力学性能。在材料经向纱线密度不变的情况下,预测了弹性性能随纬向纱线密度的变化规律。通过理论计算结果与实验值对比,验证了该方法的正确性。     

均匀化有限元法预测双向纤维增强复合材料力学性能

采用一个3D代表体积单元(RVE)微观模型并结合均匀化有限元的方法预测了双向连续纤维增强复合材料的力学性能。假设纤维和基体在其应力达到抗拉强度之前满足线弹性规律。分别分析了纤维/基体弹性模量比、泊松比及其纤维含量的对复合材料宏观力学性能的影响;以及采用内聚力模型分析界面性能对整体力学性能的影响。结果显示:纤维泊松比对复合材料力学性能影响很小;纤维模量对复合材料抗拉强度及面外方向的弹性模量影响较小,但对面内方向的弹性模量影响较大;随纤维含量的增加,宏观弹性模量及面内抗拉强度随之线性增加,而面外抗拉强度有减小趋势;界面的存在会降低复合材料的抗拉强度。     

基于宏细观统一本构模型的复合材料湿热应力分析

基于有限体积直接平均方法(Finite-volume direct averaging micromechanics,FVDAM),建立了一种从复合材料细观到宏观的统一本构模型。根据均匀化方法和连续介质力学构建复合材料的宏细观相关矩阵,通过该矩阵将细观组分材料的损伤性能传递到宏观复合材料中,计算了湿热环境中复合材料的细观应力场。结果表明:FVDAM采用子胞边界平均位移作为未知量,使本构模型中的未知量总数大为减小,相对提高了模型的效率,但这些方程都是建立在平均意义上的,因此预测的应力场存在一定的不连续性;湿热环境下,前期的吸湿有缓解热残余应力的作用,随着时间的增加,吸湿的影响逐渐超过热残余应力的影响。     

三维编织复合材料圆柱壳的热后屈曲分析

通过研究三维圆型编织中所形成的空间纱线交织结构的特征,给出了改进的三细胞结构单胞模型,通过单胞的组装和变换,得到编织预制件的整体力学性能模型.基于Reddy高阶剪切变形理论,导得广义Kármán型大挠度方程,计及边界层效应,采用奇异摄动法,考虑非线性前屈曲、大挠度和初始几何缺陷的影响,给出三维四向编织复合材料圆柱壳在均匀热分布作用下的严格满足边界条件的大挠度渐近解,讨论了纤维体积含量、编织角和几何参数等因素对圆柱壳屈曲和后屈曲行为的影响.     

平纹编织C/SiC复合材料热残余应力的模拟和分析

通过对平纹编织C/SiC复合材料SEM照片精确测量,获取了纤维束的几何参数,并以四参数正弦函数为拟合方程,得到了RVE的建模曲线方程,并建立了RVE的三维有限元模型。采用间接耦合的降温法,模拟计算了C/SiC复合材料的轴向热残余应力,其计算结果与理论值接近;并分析了制备温度以及纤维体积含量对热残余应力的影响。     

针刺纤维复合材料单胞模型构建及力学性能研究进展

三维针刺纤维复合材料有独特的网状结构,变形能力强,同时针刺技术可设计性强,能制造大型复杂结构,常用于航空刹车盘、固体发动机喷管喉衬及其扩张段等结构中。在工艺成型过程中,受纤维铺层结构和针刺工艺参数等因素影响,材料针刺区域的纤维体积含量和纤维偏转路径不规则分布,容易引起应力集中,导致损伤发生,同时其内部细观结构极其复杂,导致材料的力学性能难以预报和分析。因此,本文从三维针刺纤维预制体成型工艺、三维针刺复合材料单胞建模方法和力学性能分析三个方面入手,重点介绍了预制体工艺成型过程仿真技术和复合材料工艺参数化建模方法在力学性能分析方面的应用,概述和评价了材料考虑针刺预制体成型工艺过程的细观单胞建模方法和基于实验、数值模拟的刚度、强度及损伤行为等力学性能分析方法的研究现状,同时对扩张段针刺复杂结构的性能分析进行论述。在针刺复合材料及其复杂结构的力学性能分析中,仍面临一些困难和挑战,如何建立针刺预制体成型工艺参数与针刺复合材料力学性能之间的映射关系,从材料细观结构到针刺复合材料复杂结构力学性能的分析方法,优化针刺复合材料制造工艺,是推进针刺复合材料和复杂结构在航空航天领域应用的关键。     

含边界和损伤因素的纺织复合材料细观胞元模型

纺织复合材料的细观力学分析通常以胞元模型为基础,胞元边界条件的合理施加是获得精确分析结果的关键之一。本文以平面机织复合材料为例,讨论了细观胞元的选取和周期边界条件的施加方法,在此基础上建立了二维细观有限元模型,通过与全厚度模型分析结果的比较,研究了周期胞元模型的合理性,特别是边界效应和局部损伤等非周期因素对分析结果的影响,给出了这些因素下胞元边界条件的处理方法。     

基于周期性边界条件的机织复合材料多尺度分析

针对平纹机织复合材料,首先从微观纤维直径尺度,采用三维实体有限元方法计算纤维束的等效性能参数。然后将这些参数代入细观尺度的机织单胞模型中,得到宏观结构的平均弹性常数。在两个尺度有限元的分析中,均摒弃了传统有限元分析中采用的等应力或等应变假设,引入周期性边界条件,同时保证了周期性单胞边界面的应力连续和位移连续。分析结果表明,对于机织周期性单胞,在剪切和拉伸情况下其边界面均不全部保持为平面,纠正了此前认为在拉伸情况下单胞边界面仍保持平面的错误假设。纤维束分析结果与使用实验修正参数的细观力学理论公式结果吻合良好,织物单胞的分析结果也与弯曲层板组合模型结果较为接近,证明了分析方法的正确性。     

Effective Thermal Conductivity for 3D Five-Directional Braided Composites Based on Microstructural Analysis

A method for predicting effective thermal conductivities(ETCs) of three-dimensional five-directional(3D5D) braided composites is presented. The effective thermal conductivity prediction method contains a digital image processing technology. Multiple scanning electron microscopy(SEM)images of composites are analyzed to obtain actual microstructural features. These actual microstructural features of 3D5D braided composites are introduced into representative volume element(RVE) modeling. Apart from applying actual microstructural features,compression effects between yarns are considered in the modeling of RVE,making the RVE more realistic. Therefore,the ETC prediction method establishes a representative unit cell model that better reflects the true microstructural characteristics of the 3D5D braided composites. The ETCs are predicted with the finite element method. Then thermal conductivity measurements are carried out for a 3D5D braided composite sample.By comparing the predicted ETC with the measured thermal conductivity, the whole process of the ETC prediction method is proved to be effective and accurate,where a relative error of only 2.9 % is obtained.Furthermore,the effects of microstructural features are investigated,indicating that increasing interior braiding angles and fiber fill factor can lead to higher transverse ETCs. Longitudinal ETCs decrease with increasing interior braiding angles,but increase with increasing fiber fill factor. Finally,the influence of variations of microstructure parameters observed in digital image processing are investigated. To explore the influence of variations in microstructural features on variations in predicted ETCs,the actual probability distributions of microstructural features obtained from the 3D5D braided composite sample are introduced into the ETC investigation. The results show that,compared with the interior braiding angle,variations in the fiber fill factor exhibit more significant effects on variations in ETCs.     

编入碳纤维编织复合材料的光纤光学性能实验研究

三维编织复合材料是当前先进复合材料领域研究的热点并已开始广泛应用于航空航天等许多领域.三维编织复合材料具有很多优点,但这种材料的性能也较复杂.文中提出一种研究三维编织复合材料性能的新方法,也即将光纤传感器多个编入编织复合材料实现编织智能复合材料,以监测三维编织复合材料的RTM工艺过程,研究其力学性能及监测其在使用过程中的健康状况.对于光纤传感器而言,光纤的光学性能的好坏同光纤传感器的性能密切相关,因此,着重通过实验提出了一种光纤编入三维编织复合材料的方法并对光纤编入材料前后及编入后随材料进行RTM固化前后的光学性能进行了测试对比研究.     

三维机织复合材料的细观力学分析

建立了一种三维机织复合材料的细观力学模型。模型包括两相：一相为纤维束，另一相为基体材料或横向的纤维束。该模型考虑了纤维束弯曲所引起的附加剪切。讨论了根据织造参数确定机织复合材料细观结构的方法。将上述理论用于一种实际的碳／环氧三维机织复合材料的分析，研究了细观应力分布的特点，并用平均化方法得到了材料宏观的模量，分析结果与试验数据吻合良好。     

基于光纤光栅的编织复合材料多点热应变监测

为研究三维编织复合材料的热特性，本文利用编入编织复合材料结构的光纤Bragg光栅传感器来测量其内部多点热应变。为消除光栅自身温度受温度的影响，本文提出了用另一个自由状态光纤Bragg光栅对其进行温度补偿的方法。通过实验获得了编织复合材料的热应变与温度关系曲线。实验结果表明，碳纤维／环氧树脂三维编织复合材料结构的编织角较小时，在编织方向上的热膨胀率为负。     

碳纤维织物增强树脂复合材料准静态压缩力学性能实验

针对一种碳纤维二维正交平纹机织布增强树脂基复合材料,对其三个主方向（垂直于碳布方向、碳布经向、碳布纬向）进行了准静态压缩实验,得到了三个主方向上准静态条件矿下的应力-应变曲线和压缩强度。通过对各主方向上的应力-应变曲线的分析,表明该复合材料各主方向上压缩力学性能是碳纤维和树脂基体的力学性能共同起作用的结果,同时碳纤维的初始微屈曲对纵向压缩力学性能、压缩强度都会产生很大影响;碳布经向和纬向的压缩强度都低于垂直于碳布方向的压缩强度,但弹性模量较高;各主方向的压缩破坏模式也有所不同。     

正交铺设陶瓷基复合材料基体裂纹演化研究(英文)

采用能量平衡法对正交铺设陶瓷基复合材料在单轴拉伸载荷作用下的基体裂纹演化进行了研究。在拉伸载荷的作用下,正交铺设陶瓷基复合材料有5种开裂模式。开裂模式3包括横向开裂、基体开裂和纤维/基体界面脱粘;开裂模式5只包括基体开裂和纤维/基体界面脱粘。本文得到了两条横向裂纹之间出现开裂模式3和5的初始基体开裂应力;并得到了开裂模式3多裂纹演化的初始基体开裂应力。讨论了铺层厚度、纤维体积含量、纤维/基体界面剪应力和界面脱粘能对基体开裂应力和基体裂纹演化的影响。结果表明,对于SiC/CAS材料而言,两条横向裂纹之间首先出现开裂模式3。     

三维四向编织复合材料疲劳性能分析

建立基于八边形纤维束截面假设的三维四向编织复合材料单胞模型。基于单向复合材料疲劳剩余刚度和剩余强度模型,结合组分材料的疲劳失效判据和性能突降方法,建立了三维四向编织复合材料疲劳寿命预测模型。利用ABAQUS有限元软件UMAT开发了疲劳寿命预测与渐进损伤分析程序,研究了三维四向编织复合材料在不同应力水平下的损伤扩展过程和疲劳寿命。研究表明,疲劳损伤是从纤维束之间的接触面的单元开始发生损伤破坏,然后向纤维束表面以及纤维束内部开始扩散,并且损伤扩展速率随着应力水平的提高而加快。本文研究为预测三维四向编织复合材料的疲劳寿命提供了一种途径。     

三维机织复合材料的力学模型与实验验证

对三维机织复合材料的细观几何结构进行了深入的研究。采用椭圆形纤维束截面假设，详细研究了经纱纤维束在织物表面与内部的不同。建立了一种新的三维机织复合材料力学分析模型，并对其弹性常数进行了预测。研究了三维机织物的复合成型工艺，制作了实验件并进行了性能实验。通过实验值和理论预测值的对比，表明了力学模型的正确性。