纤维增强复合材料轴结构铺层方案优化设计

基于细观力学有限元法,采用改进的细观力学代表体积元（RVE）模型预测连续纤维增强金属基复合材料力学性能,对比分析相同体积分数下不同排列RVE模型的计算结果.选定连续纤维增强金属基复合材料轴结构为研究对象,建立连续纤维增强金属基复合材料轴结构细、宏观力学模型,开展该轴结构承载能力计算.在此基础上,为实现连续纤维增强金属基复合材料低压涡轮轴铺层方案优化设计,参照某型航空发动机设计要求,以总铺层厚度为目标函数,采用random design法,确定了由细观RVE排列结构至宏观轴结构铺层方案.结果表明：采用正方形对角排列RVE模型计算的力学性能优于四边形排列RVE模型;纤维与基体呈正方形对角排列可提高轴结构承载能力、临界屈曲载荷、临界转速;该方法确定的铺层方案与通用（GE）公司的SiC/Ti低压涡轮轴铺层方案一致.     

连续纤维增强金属基复合材料涡轮轴结构承扭特性分析

为实现对该类复合材料部件结构完整性的设计分析,以连续纤维增强复合材料轴结构为研究对象,对比分析4种细观力学模型计算连续纤维增强金属基复合材料的力学性能参数;在此基础上,采用RVE(代表体积元)有限元模型计算的复合材料力学性能参数作为输入,建立连续纤维增强金属基复合材料轴结构力学分析模型.计算与对比分析不同材料方案下纤维增强金属基复合材料轴结构在扭转载荷作用下的变形量及承扭能力,当纤维体积分数一定时,方案4的变形量最小,方案2的临界屈曲转矩最大.      

纤维增强钛基复合材料横向拉伸性能数值模拟

为研究SiC/Ti-6AL-4V纤维增强钛基复合材料在横向拉伸载荷下的力学特性,建立了三维细观有限元模型;利用ANSYS软件接触单元和内聚力材料模型,对其制备残余热应力及横向拉伸载荷下的界面脱粘、基体失效进行了数值模拟。结果表明:考虑界面材料属性的细观力学有限元单胞模型,可较好地模拟纤维增强钛基复合材料在横向拉伸载荷下的界面脱粘、基体失效;横向拉伸载荷下,复合材料基体细观结构内部应力分布不均导致基体材料利用率下降,是造成复合材料横向强度低于基体材料强度的主要原因。     

纤维增强钛基复合材料结构强度计算模型建立与修正方法

为了对SiC纤维增强钛基复合材料结构强度进行准确预测,基于宏-细观力学跨尺度分析方法,对复合材料强度进行计算。建立了复合材料层合板的有限元仿真计算模型,对复合材料层合板在横向拉伸与压缩载荷作用下的损伤演化及失效强度进行预测,并进行试验验证。建立细观力学代表体积元（RVE）模型,对模型施加周期性边界条件,实现横向拉、压载荷下基体的应力集中系数以及失效强度的计算。考虑结构实际受载中,复合材料的界面开裂对横向强度的影响,对模型进行修正,分析界面开裂的过程,计算修正后模型的应力集中系数以及失效强度,修正后的模型预测精度提升6.51%,与试验值误差为24.17%,验证了纤维增强复合材料强度计算方法的有效性。     

单向陶瓷基复合材料单轴拉伸强度研究

采用细观力学方法对单向纤维增强陶瓷基复合材料单轴拉伸强度进行研究.采用剪滞模型描述复合材料出现损伤后的细观应力场,结合基体随机开裂模型、断裂力学界面脱黏准则确定基体裂纹间距及界面脱黏长度.当基体裂纹达到饱和后,假设纤维强度服从威布尔分布,完好纤维和断裂纤维承载满足总体载荷承担法则,采用纤维随机失效模型确定继续加载过程中纤维断裂概率及断裂位置,当纤维承载达到最大时,复合材料失效.讨论了基体威布尔模量和特征强度、纤维/基体界面剪应力和界面脱黏能、纤维威布尔模量和特征强度对纤维失效,进而对复合材料拉伸失效强度的影响.与试验数据对比表明:提出的模型是有效的.      

叠层穿刺CF/Al复合材料准静态拉伸力学行为与失效机制

针对新型的叠层穿刺碳纤维织物增强铝基复合材料（CF/Al复合材料）,通过细观力学数值模拟与实验结合的方法研究了其在准静态拉伸载荷作用下的渐进损伤与断裂力学行为。复合材料经向拉伸弹性模量、极限强度与断裂应变的实验结果分别为129.61 GPa、630.14 MPa和0.75%,细观力学模型预测误差分别为-9.41%、7.57%和1.33%,均匀化计算的宏观应力-应变曲线与实验曲线总体上相符。经向拉伸变形初期首先出现经/纬纱交织处基体合金的局部损伤,随着拉伸应变量的增大依次发生纬纱和穿刺纱的横向开裂,拉伸变形后期基体合金与经纱失效引起宏观应力-应变曲线的急剧下降,复合材料拉伸断口表现为经纱轴向断裂及纬纱和穿刺纱横向开裂共存的形貌特征,纤维拔出和基体断裂导致的经纱轴向断裂是诱发复合材料最终失效的主要机制。     

纤维增强复合材料力学性能预测及试验验证

针对纤维均匀排布的单向纤维增强复合材料结构力学性能预测问题,基于复合材料细观力学有限元方法,研究建立了代表体积元(RVE)模型,并施加周期性边界条件,实现了纤维增强复合材料基本力学性能的预测。通过将应用上述RVE模型所获取的B/Al纤维增强复合材料力学性能预测结果与解析解和试验数据进行对比表明,施加周期性边界条件的RVE模型的力学性能预测结果与解析解和试验数据吻合良好,验证了所建立计算模型的有效性。基于单向连续纤维增强SiC/TC4复合材料板材的力学性能测试试验,获取了不同铺层方案结构的纵向/横向弹性模量和泊松比,得到的纵向/横向弹性模量计算值与各自试验值均值的误差均小于5%,表明弹性力学性能参数基本一致,计算模型具有合理性。      

SiC/TC4复合材料轴结构力学性能分析及试验验证

为了对连续纤维增强金属基SiC/TC4复合材料轴结构进行结构完整性研究,利用复合材料力学性能半经验公式、经典层合板理论与层合轴结构本构关系,建立与复合材料轴结构验证模型尺寸相同的有限元仿真计算模型,对连续纤维增强金属基复合材料轴结构在扭转载荷作用下的力学性能及响应进行预测与试验验证;并在验证的基础上对复合材料轴结构进行了力学性能进行了分析。结果表明:仿真计算结果与试验数值之间误差在5.7%以内,说明分析中使用的理论、方法与模型可靠;在复合材料轴结构总厚度4.5mm与铺层数不变的情况下,±45°交替铺层更有利于扭转刚度的提升,且复合材料层位于轴结构厚度的中间时,复合材料轴结构具有更高的结构效率。     

二维三轴编织复合材料压缩失效行为的细观有限元模拟

为研究典型二维三轴编织复合材料（2DTBC）的压缩破坏机理，建立了细观有限元模拟方法体系。提出了反映编织复合材料真实几何特性的单胞模型建模策略，根据Murakami-Ohno损伤理论建立了各向异性损伤模型来模拟纤维束中的损伤起始和扩展行为，通过引入波动系数描述了纤维束的起伏状态，并采用内聚力单元来模拟界面分层。在此基础上，分析得到了二维三轴编织复合材料在压缩载荷下的破坏过程，研究了压缩载荷下纤维束和界面层的损伤演化，探讨了纤维束波动对压缩性能的影响规律。通过与相关试验结果对比，该模型能够准确预测二维三轴编织复合材料在面内压缩载荷下的力学响应和主要失效行为，以及自由边效应。细观失效过程分析结果表明，二维三轴编织复合材料轴向压缩的破坏是由轴向纤维束的纤维压缩失效主导的；横向压缩破坏则是由偏轴纤维束的纤维压缩失效引起的。     

界面层参数对陶瓷基复合材料单轴拉伸行为的影响

采用细观力学方法研究了界面层参数对陶瓷基复合材料单轴拉伸行为的影响.在剪滞模型基础上提出了考虑界面相与界面层效应的力学简化模型,结合临界基体应变能准则、最大剪应力准则、临界纤维应变能准则确定基体裂纹间距、界面脱黏长度和纤维失效百分数,对考虑界面层影响的陶瓷基复合材料拉伸应力-应变曲线进行了模拟,讨论了界面层体积分数、弹性模量及泊松比对拉伸行为的影响,并与试验结果进行了对比,发现考虑界面层及界面相的影响时,界面脱黏和纤维失效段应力-应变曲线与试验数据更接近,预测效果更好.      

细观几何结构对复合材料初始屈服面的影响

采用宏—细观统一的弹塑性本构模型分析了多轴载荷作用下不同纤维形状、不同纤维排列方式对金属基复合材料初始屈服面的影响。研究表明:在纵向正应力作用下,圆截面纤维复合材料的初始屈服应力基本上与方形截面纤维复合材料的初始屈服应力相等;不同纤维排列方式的复合材料初始屈服应力基本上相同。当存在横向应力或纵横剪切应力时,圆截面纤维复合材料初始屈服面在方形截面纤维复合材料初始屈服面之内;六角形排列时最容易屈服,而方形对角排列屈服应力最高。      

纤维增强复合材料涡轮轴结构疲劳寿命预测

研究了连续纤维增强复合材料低压涡轮轴结构在给定低循环载荷作用下的疲劳寿命估算方法.考虑连续纤维增强复合材料结构特性，研究了基于局部应力应变法的低周疲劳寿命预测方法，并对预测方法的有效性进行了验证.基于此方法，计算了某型航空发动机低压涡轮轴的最大应力、应变和疲劳寿命.结果表明:在0°~90°范围内，45°铺层角度的复合材料层疲劳寿命值最大；当金属厚度不变，外层金属和首层复合材料层的疲劳寿命随复合材料厚度增加而增大；当轴结构壁厚保持6mm不变，减小复合材料层的厚度，同时相应增大最内层或最外层金属包套的厚度，其结构疲劳寿命都随着复材层的厚度减小而减小;外层金属包套的寿命则远大于首层复合材料的疲劳寿命.      

材料初始缺陷对平纹编织C/SiC复合材料热残余应力的影响研究

C/SiC热残余应力影响材料服役性能,而初始缺陷影响热残余应力,因此有必要对平纹编织C/SiC复 合材料的初始缺陷与热残余应力的关系进行研究。通过试样截面扫描电镜(SEM)图像对材料各类初始缺陷的分布特征进行测量和统计,建立含初始缺陷的宏观材料的代表体积单元(RVE)和纤维束 RVE有限元模型;采用 稳态变温法及有限元细观计算力学(FECM)方法预测含初始缺陷的纤维束 RVE有效性能参数及热残余应力。结 果表明：应力预测值与试验值吻合较好,得到了各类初始缺陷与宏观材料热残余应力之间的定量映射关系。     

纤维增强金属基复合材料细观几何结构对宏观弹性性能的影响

基于复合材料宏、细观场量之间的联系，建立了一种纤维增强复合材料宏—细观力学模型。该模型建立起了宏观与细观应力、应变场量之间的联系，获得了宏观应力—应变关系，试验及理论计算表明，该模型能够较好地预测复合材料宏观弹性性能。利用该模型研究了纤维截面形状和排列方式对金属基复合材料宏观弹性性能的影响。     

复合材料层合板结构冲击损伤数值模拟的损伤力学模型

针对复合材料结构低速冲击损伤问题,基于连续损伤力学提出了一种动力学冲击条件下的三维损伤数值模型。模型中区分了层内损伤（纤维拉伸与压缩失效、纤维间拉伸与压缩失效）和层间分层损伤不同的失效模式。采用三维Puck失效准则与考虑压缩抑制效应的Aymerich准则对上述两类损伤进行判定,材料失效后基于连续损伤力学中线性软化模型对材料损伤进行演化。模型中考虑了复合材料层合板结构中子层的就位效应和损伤分析中的“连锁效应”。通过对Shi的冲击试验进行数值模拟,模型预测的冲击接触载荷、分层形状和尺寸与试验结果吻合较好,证明了所提出的数值模型对复合材料层合板结构低速冲击损伤预测的有效性。     

单一纤维和混杂纤维复合材料拉伸性能统计分析及计算模型

采用微观—宏观力学方法,研究单—纤维和混杂纤维复合材料拉伸破坏的统计行为并建立计算模型。模型中纤维拉伸性能的统计特征用Weibull分布表征,并考虑破坏过程中的载荷重新分配。模型计算与实验结果对比,模型能准确估算单一纤维复合材料拉伸性能,但对情况复杂的混杂纤维的性能估算不够理想。