层合陶瓷基复合材料多尺度应力-应变计算模型

对层合陶瓷基复合材料(CMCs)的应力-应变行为进行了研究。基于多尺度分析方法，实现了由组分性能参数到层合陶瓷基复合材料整体应力-应变的计算。采用可实现单向纤维增强陶瓷基复合材料应力-应变计算的细观力学模型，由材料的细观组分性能计算出单向板的非线性弹性性能，并将单向板的弹性性能作为层合复合材料模型的输入参数，通过有限元法计算层合陶瓷基复合材料的整体应力-应变响应。与试验数据的对比表明:采用该模型可以实现层合陶瓷基复合材料在单调拉伸载荷及拉伸加卸载条件下应力-应变曲线的预测，其中数据的最大偏离为19.61%.      

陶瓷基复合材料高精度宏细观统一本构模型研究

基于高精度通用单胞模型(HFGMC)建立了陶瓷基复合材料(CMCs)的宏细观统一本构模型.首先基于CMCs的细观结构和损伤特点建立代表体元(RVE)并定义细观损伤变量.然后采用HFGMC模型计算细观损伤变量的演化,由此获得宏观应力应变曲线,从而建立了CMCs的宏细观统一本构模型.采用该本构模型预测了CMCs的宏观应力应变曲线,与实验结果吻合良好.结果表明该本构模型能够模拟CMCs的拉伸与损伤行文,为CMCs强度分析提供了有效手段.      

准静态加载下陶瓷基复合材料层合板应力-应变曲线的模拟

采用细观力学方法来模拟纤维增强陶瓷基复合材料层合板在准静态加载下应力-应变行为.采用层合板修正剪滞模型分析复合材料出现损伤时的细观应力场,通过临界基体应变能准则、Nair脱粘准则确定基体裂纹间隔和界面脱粘长度.最后结合剪滞模型和损伤机制模拟陶瓷基复合材料层合板应力-应变曲线,并与试验数据进行比较,结果吻合较好.      

基于塑性应变能的中低周疲劳概率寿命模型

由于材料、尺寸以及载荷等的分散性,涡轮盘疲劳寿命存在较大的分散性。在充分考虑材料加卸载应力、应变及应力比对疲劳寿命影响的基础上,提出了一种适用于中低周疲劳的塑性应变能概率寿命模型。该模型在考虑材料、尺寸和载荷等导致寿命分散的因素的基础上,重点考虑了循环应力应变曲线的分散性,结合根据应力比的二次插值,获得了插值范围内任意应力比下的塑性应变能损伤参量与疲劳寿命的关系。运用所提概率寿命模型结合响应面法与蒙特卡洛法对某涡轮盘螺栓孔模拟试件进行了概率寿命分析。结果显示,模拟试件的计算结果与试验结果的中位寿命仅相差022%,寿命分散系数相差581%,说明本概率寿命模型概率寿命预估精度高。      

2D-C/SiC复合材料的拉伸损伤研究

通过单调拉伸和循环加卸载试验,研究了2D-C/SiC复合材料的力学性能及损伤演化过程。结果表明,残余应变、卸载模量和应力的关系曲线与拉伸应力应变曲线具有类似的形状。基于细观力学建立了材料的损伤本构关系和强度模型,分析计算表明,残余应变主要由裂纹张开位移和裂纹间距决定,而卸载模量主要由界面脱粘率决定;材料的单轴拉伸行为主要由纵向纤维束决定,横向纤维束对材料的整体模量和强度贡献较小。理论模拟结果与试验值吻合较好。     

损伤对平纹编织陶瓷基复合材料梁振动特性影响的试验研究

为研究平纹编织陶瓷基复合材料（CMCs）梁受损伤影响的非线性振动特性,本文分别开展了拉伸试验和振动试验。拉伸试验用于获得平纹编织CMCs受损伤影响的变刚度行为,多次正弦扫频试验用于获得振动载荷下平纹编织CMCs梁受损伤影响的非线性行为。拉伸试验得到的非线性应力-应变曲线表明材料受损伤影响变刚度行为明显。梁初始固有频率的试验值与理论值相比,相对误差小于1%。振动试验结果从两方面表明了损伤对梁振动特性的影响。一是模态参数的变化,固有频率从初始值（256.44Hz）不断减小,阻尼比呈现增大趋势,而共振位移幅值受固有频率和阻尼比的耦合作用发生非线性且非单调变化。固有频率的变化造成位移幅频特性曲线的左移现象。二是位移幅频特性曲线的多峰现象,在多处载荷频率下产生了位移峰值点。本文的试验结果可用于指导平纹编织CMCs结构动力学计算理论模型的建立。     

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.      

单晶高温合金低循环疲劳寿命的三维应力应变模型

将正交各向异性材料屈服函数中的等效应力的概念进行了推广,给出了单晶材料在三维交变载荷作用下疲劳损伤等效应力幅和等效塑性应变幅的计算公式。用等效应力幅和等效塑性应变幅对单向应力作用下的低循环疲劳寿命模型进行修正,提出了一种单晶材料在三维交变载荷作用下的低循环疲劳寿命模型。用所提出的三维低循环疲劳寿命模型预测了单晶材料PWA1480的低循环疲劳寿命,同时与试验结果进行了比较。     

针刺陶瓷基复合材料损伤本构模型及构件应力分析

基于连续介质损伤力学方法提出了适用于针刺陶瓷基复合材料的各向异性损伤本构模型.该模型考虑了拉伸与剪切损伤的影响.通过试验得到了材料的拉伸和剪切的应力-应变曲线,采用曲线拟合获得了本构模型的参数.应用用户子程序技术将本构模型写入商用有限元软件,计算所得拉伸和剪切的应力-应变曲线与试验曲线比较吻合,最大误差分别为5.62%和1.47%.使用该损伤本构模型及弹性模型计算了航空发动机尾喷管调节片在气动和温度载荷下的力学响应,两者计算所得应力分布相似,但损伤本构模型计算值明显小于弹性模型计算值.      

任意应力比下涡轮盘的塑性应变能寿命模型

以首次加、卸载时由于塑性变形导致循环应力应变曲线偏离弹性线的面积为损伤参量，从能量的角度建立了塑性应变能寿命模型，并运用平方插值的方法获得了任意应力比下塑性应变能和疲劳寿命的关系.利用某发动机涡轮盘的螺栓孔模拟试件与级间盘的跑道孔模拟试件的试验结果进行验证与对比.结果显示:根据应力比采用平方插值时塑性应变能寿命模型计算精度更高.螺栓孔试件的计算寿命与试验结果相差9.42%；跑道孔试件仅相差1.88%.总体上看，该模型计算结果与试验结果吻合很好，具有较高的精度.      

疲劳载荷下单向陶瓷基复合材料界面摩擦力识别

为了确定疲劳加载过程中不同循环数下界面摩擦力的大小,对单向陶瓷基复合材料(CMCs)的疲劳迟滞行为进行了研究,提出了单向CMCs疲劳载荷下界面摩擦力识别方法。基于剪滞模型,确定了疲劳峰值和谷值应力下纤维应力分布。并基于数形结合的方法推导了迟滞环割线模量的理论值与界面摩擦力之间的函数关系。将迟滞环割线模量的实验值与理论值进行比较,识别了不同循环数下界面摩擦力的大小。结果表明,在前1000个循环内,界面摩擦力从9.89MPa 减小为5.28MPa,并在随后的循环内保持近似不变,说明疲劳过程中界面磨损主要发生前1000个循环内。     

基于疲劳-蠕变载荷等效转换的涡轮盘载荷谱编制及寿命预测

针对雨流计数法在峰谷值提取时进行等值压缩,忽略保载时间的问题进行了改进,提出了一种基于损伤曲线的疲劳-蠕变载荷等效转换方法。利用非线性疲劳损伤累积函数和损伤等效原则,建立了不同应力水平、不同保载时间下疲劳-蠕变载荷与疲劳载荷之间的等效换算模型。利用涡轮盘材料试验数据,计算了不同循环加载条件下的等效换算比,得到了其随保载时间的变化规律。利用改进的雨流计数法,编制了航空发动机高压涡轮盘载荷谱,并将其与寿命-时间分数预测法相结合,得到了涡轮盘剩余寿命。结果表明,改进的雨流计数法综合考虑了疲劳-蠕变耦合损伤对涡轮盘寿命造成的影响,相比于传统雨流计数法,寿命预测误差降低了15.02%,验证了该方法的有效性。     

Simplification approaches for multi-level load spectra by using equivalent damage rule

Reasonable and effective fatigue load spectrum is key of aircraft structural fatigue test. Two kinds of load spectra simplification approaches based on statistical consistent fatigue damage model are proposed in the paper. One method is to simplify the original multi-level load spectra to spectral load with fewer level and was verified by the experimental data of five levels and seven levels load spectra. The equivalent damage here is not equivalent fatigue life, but equivalent number of spectral blocks. Moreover, it was proved that a section of low stress load cannot be converted into the highest stress load considering equivalent damage. The other is to convert the life distribution under multi-level load spectra into that of constant amplitude spectrum according to a certain principle, that is, equivalent damage is achieved through equivalent fatigue life, and two groups of three levels spectral data were used for experimental verification. The results show that equivalent damage simplification approach of multi-level load spectra is feasible, and it achieve that the damage of one loading block before and after the simplification is equal in probability statistics. The life distribution of load simplified as constant amplitude spectrum is consistent with test data. The simplification method presented in this paper can be generalized and is a predictive engineering method which does not depend on experimental data.     

程序载荷下疲劳可靠性分析的损伤等效递推方法

以载荷循环数－疲劳寿命干涉模型为基础,分析了程序载荷（包括随机载荷历程）作用下的疲劳可靠性问题的特点及计算方法。通过对疲劳失效过程的分析,针对复杂载荷下疲劳问题的物理本质,提出了一个以损伤等效原则转换不同载荷水平的当量循环数的可靠性递推方法,并进行了试验验证。     

Multiaxial fatigue life prediction of composite materials

In order to analyze the stress and strain fields in the fibers and the matrix in composite materials,a fiber-scale unit cell model is established and the corresponding periodical boundary conditions are introduced.Assuming matrix cracking as the failure mode of composite materials,an energy-based fatigue damage parameter and a multiaxial fatigue life prediction method are established.This method only needs the material properties of the fibers and the matrix to be known.After the relationship between the fatigue damage parameter and the fatigue life under any arbitrary test condition is established,the multiaxial fatigue life under any other load condition can be predicted.The proposed method has been verified using two different kinds of load forms.One is unidirectional laminates subjected to cyclic off-axis loading,and the other is filament wound composites subjected to cyclic tension-torsion loading.The fatigue lives predicted using the proposed model are in good agreements with the experimental results for both kinds of load forms.     

陶瓷基复合材料螺栓渐进损伤计算与强度预测

为了准确预测陶瓷基复合材料螺栓的强度及损伤演化过程,建立了陶瓷基复合材料螺栓有限元模型,并采用渐进损伤模型实现了陶瓷基复合材料螺栓的失效分析,形成通用有效的陶瓷基复合材料结构渐进损伤有限元仿真方法。计算结果表明：陶瓷基复合材料螺栓在载荷1129N时萌生损伤。加载到失效载荷（1459N）时,损伤沿着螺纹槽扩展至整个螺纹槽。最后,损伤从螺纹槽扩展至螺杆中心导致螺杆断裂失效。螺栓的破坏位置在螺纹接触最上面的螺纹槽处,螺栓断裂的主要原因是材料的Z向拉伸破坏。     

用等效平均损伤模型计算剩余寿命方法的研究

分析了复杂载荷下材料的损伤累积过程和疲劳寿命计自身材料疲劳损伤与其不可逆电阻变化响应的联系。疲劳寿命计自身材料疲劳损伤演变、损伤累积过程以电阻变化速率和变化量显示了其全貌。假设其等效平均损伤等一般规律与金属材料的疲劳情况相类似,结合本文给出拟合精度很好的材料应力寿命曲线,得出随机载荷下剩余寿命计算的简便方法,具有较高可信度。初步实验验证很令人满意。     

剪切载荷下航空发动机螺栓松动行为及其临界值的数值模拟研究

为研究剪切载荷下螺栓连接结构松动行为,首先建立了多种螺栓连接结构精细有限元模型,进行了全六面体网格划分,并运用Yamamoto方法和Spowith方法验证了模型的有效性,然后通过多种模型仿真对比,分阶段首次研究了不同影响因素下塑性松动期、旋转松动期内以及整个松动期内的螺栓松动行为及其重要临界值.结果表明:剪切载荷下螺栓...     

Modified micro-mechanics based multiscale model for progressive failure prediction of 2D twill woven composites

To consider fiber random distribution at the microscale for the multiscale model based on the micro-mechanics failure (MMF) theory, clustering method is used for the extraction of amplification factors. As the clustering method is a kind of unsupervised machine learning method, the elements with similar mechanical behavior under external loading can be included in a cluster automatically at the microscale. With this modification, the fiber random distribution model can be used for multiscale damage analysis in the framework of MMF theory. To validate the modified multiscale analysis method, progressive damage analysis of a kind of 2D twill woven composites is conducted based on different microscale models. The stress values for microscale models with fiber hexagonal and random distribution patterns are compared first. Much higher stress concentration is generated in the fiber random distribution model due to the smaller inter-fiber distance especially under longitudinal shear loading. The obtained cluster distribution results exhibit the characters of the stress distribution in the two microscale models. Thereafter, tensile and compressive responses of the 2D twill woven composite are predicted with the modified multiscale analysis method and accuracy of the method is verified through comparison with published experimental results. From the simulation results, it can be found that the matrix damage initiation from the model based on the fiber random distribution model is premature compared with that from the model based on the fiber hexagonal distribution model. Besides, under tensile loading, the damage all initiates from the fill tows and propagates to the wrap tows. However, under compressive loading, the matrix damage initiates from the wrap tows in the model based on the fiber random distribution model.