单向C/SiC复合材料热残余应力数值模拟研究

连续纤维增韧陶瓷基复合材料制备过程中因纤维与基体线胀系数失配会产生热残余应力,从而导致纤维脱粘、基体开裂等现象,严重影响复合材料力学性能。本文针对CVI工艺制备的单向C/SiC复合材料,建立"纤维-界面-基体"单胞物理模型,基于细观力学分析方法对热残余应力分布规律进行预测,采用ABAQUS对材料制备过程进行数值模拟,揭示了界面厚度、纤维体积分数、制备温度等参数对纤维、基体热残余应力分布的影响规律,分析了热残余应力对复合材料力学性能的影响。研究结果能够为C/SiC复合材料的设计、分析及微纳力学性能试验提供理论支持。     

非连续增强金属基复合材料的热残余应力

详细地论述了非连续增强金属基复合材料热残余应力的产生、松弛机理以及热残余应力对材料组织和性能的影响，并预测了今后的发展方向。指出增强体与基体的线膨胀系数之差、界面结合和温度变化是产生热残余应力的必要条件，非连续增强金属基复合材料的热残余应力的松弛将使得金属基复合材料基体内的位错密度增加，热残余应力使复合材料的拉伸强度降低。     

碳纤维/环氧树脂单向复合材料的吸湿残余应力研究

对碳纤维增强环氧树脂基(CFL/EP)单向复合材料在湿热环境下吸湿残余应力进行了研究.首先,采用ABAQUS有限元软件计算了环境温度T=37℃及T=80℃条件下随时间变化的材料中水分分布,该结果和材料吸湿实验结果吻合较好,同时也发现碳纤维随机分布模型能更好地模拟复合材料吸湿行为;随后,根据获得的水分分布对随时间变化的吸湿残余应力进行了研究.结果表明:树脂基体长时间吸湿导致的残余应力能够达到很高的水平(30MPa以上),其中纤维间距较小的基体区域以及基体和纤维界面处的应力水平明显高于其他区域,而在界面处应力值最高.这种高水平的残余应力在吸湿、脱湿循环下可能导致材料发生疲劳损伤及失效.     

考虑基体开裂的陶瓷基复合材料应力-应变曲线模拟方法及验证

提出了蒙特卡罗方法模拟陶瓷基复合材料基体随机开裂过程,采用剪滞模型描述了复合材料出现损伤时细观应力场,并推导得到了考虑基体开裂时复合材料拉伸应力-应变曲线计算公式.开展了室温环境下C/SiC复合材料的单轴拉伸试验,并将理论预测应力-应变曲线与试验结果进行对比.同时,采用该方法对SiC/CAS,SiC/Si₃N₄复合材料应力-应变曲线进行了模拟,并与国外提供的相关试验数据进行比较,发现两者吻合得较好,从而证实了蒙特卡罗法可有效地模拟考虑基体随机开裂过程的陶瓷基复合材料应力-应变曲线.此外,还分析了Weibull模量、残余热应力和初始开裂应力对应力-应变曲线的影响.研究表明:Weibull模量越大,应力-应变曲线非线性越明显;热残余应力越大,应力-应变曲线偏转越早,非线性越明显;初始开裂应力与Weibull模量对应力-应变曲线影响规律相似.      

钛基复合材料压气机叶环应力的数值模拟

采用有限元分析方法,建立三维循环对称模型,对连续Si C纤维增强钛基复合材料压气机叶环的应力进行了研究。考虑周围基体包套和中心复合材料的热残余应力,重点分析了叶环尺寸、温度及基体材料性能对叶环应力分布的影响。结果表明,当叶环直径较小、工作温度较低时,叶环的最大环向应力点在内径;随着直径增大、工作温度升高,最大环向应力点出现在中心复合材料靠近内径一侧。基体材料的弹性模量、热膨胀系数和密度,对叶环的应力分布有重要影响,应尽量选择密度低、弹性模量和热膨胀系数较大的钛合金作为基体材料。     

高可靠度TC17基复合材料叶环破裂转速预测技术研究

为了建立安全可靠预测TC17基复合材料叶环破裂转速的方法,尽快实现其工程应用,开展了SiC连续纤维增强TC17基复合材料叶环结构破裂转速预测技术研究。测定了复合材料叶环成型过程所导致的TC17基体力学性能变化规律,仿真分析了由于热不匹配导致的热残余应力对复合材料叶环强度的影响。考虑复合材料试棒和叶环结构的差异,建立了基于复合材料试棒拉伸强度极限的高可靠度复合材料叶环破裂转速预估准则。完成了复合材料叶环强度试验件设计、制备和试验验证,并对试验件进行了断口分析。结果表明：复合材料叶环成型后,TC17基体合金本构模型将发生改变,其屈服和拉伸强度都有较大程度的下降,强度分析时应予以考虑。复合材料叶环成型工艺所导致的叶环热残余应力使得复合材料增强芯的同一半径处的周向应力沿轴向产生了梯度,其周向和径向最大应力均有明显降低,还导致叶环残余变形最大位置发生了变化。在旋转试验过程中,应变实测值与仿真结果相近。断口分析结果证明本文研究的复合材料叶环结构实际破裂模式为周向破裂,与所建立的仿真方法和评估准则预测的破裂模式一致,且破裂转速的预测精度较高,并保证了设计的安全性,可满足工程应用需求。     

基于残余应力的激光冲击强化参数多目标优化

为了获取镍基高温合金GH4169激光冲击强化(Laser Shock Peening,LSP)过程中最佳工艺参数,利用ABAQUS/EXPLICIT软件,对搭接率、光斑尺寸、峰值压力和脉冲宽度4个关键工艺参数对残余应力的影响规律进行了研究。以最大残余拉应力、表面平均残余压应力及残余压应力层深度为优化目标,采用径向基神经网络代理模型(Radial Basis Function,RBF)和遗传算法(GA)(包括快速非支配排序遗传算法(NSGA-II)、相邻培养式遗传算法(NCGA)、自适应变异遗传算法(AMGA))相结合的方法对这4个工艺参数进行了多目标优化研究,得到了最优的工艺参数。结果表明,采用AMGA所得的表面平均残余压应力绝对值比NSGA-II所得高22.9MPa,比NCGA所得高59.4MPa。优化后最大残余拉应力降低了6.99%,表面平均残余压应力提高了9.78%,表明了优化方法的有效性。     

金属基复合材料中的残余应力测量

由于金属基复合材料中连续纤维和金属基体间的热膨胀系数存在很大差别,将复合材料从制造温度冷却至室溫时,会产生很大的残余应力。本文首先简短描述用于测量残余应力的X射线方法,然后给出并讨论所获得的残余应力结果。实验都是在铝、镁和钛金属基体复合材料上进行的。本文主要测量铝-石墨系统中的残余应力。应当注意,由于石墨纤维中强织构造成的困难,本文报道的残余应力只是基体相的。     

金属基复合材料的热残余应力研究进展

综述了金属基复合材料热残余应力的研究进展,分析了复合材料中热残余应力的产生条件及松弛行为;介绍了热残余应力的理论分析及测量方法;讨论了热残余应力对复合材料组织结构及性能的影响,并指出有待深入研究的问题。     

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。     

2D-C_f/SiC复合材料蠕变断裂及损伤机理研究

研究了2D-C_f/Si C复合材料在空气中,温度分别为700℃和900℃,蠕变应力分别为50MPa、75MPa和100MPa条件下的蠕变断裂及损伤机理。运用拉森-米勒参数法拟合材料的蠕变断裂时间,使用扫描电子显微镜分析其微观组织和断口形貌以进一步揭示其蠕变断裂机理。结果表明:2D-C_f/Si C复合材料的蠕变断裂寿命与温度和应力密切相关,较高温度或应力会降低材料的蠕变断裂寿命;在蠕变过程中,材料除发生应力损伤外,还会发生氧化损伤;2D-C_f/Si C复合材料的氧化损伤比应力损伤对蠕变断裂时间有更显著的影响。     

TC17钛合金激光喷丸应力场及支持向量机应力热松弛模型

对TC17钛合金进行了不同功率密度下激光喷丸强化,使用X射线衍射仪测试了激光喷丸冲击波诱导的残余压应力场的分布,测试了不同温度真空保温下残余压应力的热松弛规律,最后基于支持向量机理论建立了残余压应力热松弛预测模型,并用试验结果对模型进行验证.研究表明:TC17钛合金在功率密度为4GW/cm2时表层残余压应力场最佳;残余压应力在280℃和450℃真空保温150min后分别有11.24%和27.11%的松弛;在280℃和450℃交替保温160min后应力松弛33.9%;残余压应力在试验温度保温160min后有大部分剩余,可以有效提高TC17钛合金抗疲劳性能、基于支持向量机的预测模型能够较精确的表征TC17钛合金的应力松弛规律,满足工程使用要求,对其他材料表层残余压应力热松弛分析具有借鉴意义.      

热暴露对带热障涂层DD6单晶高温合金组织的影响

采用0.3 MPa压力对DD6单晶高温合金进行水吹砂,然后用电子束物理气相沉积的方法在DD6合金基体上制备了热障涂层,将带热障涂层试样置于1100℃空气气氛中分别进行50 h和100 h热暴露,在1100℃/130 MPa条件下测试持久性能。研究了水吹砂及高温热暴露对带热障涂层DD6合金组织的影响。结果表明：0.3 MPa压力水吹砂制备热障涂层并高温热暴露后没有发现再结晶组织;热暴露过程中,基体和涂层之间的元素会发生不同程度的互扩散;表面残余应力和元素互扩散导致了γ′相粗化方向的变化;性能测试后试样断口附近的涂层与基体界面下方局部区域形成了二次反应区。     

多点连续动态激光冲击强化残余应力场数值分析

为了提高激光冲击强化(LSP)数值模拟效率及计算精度,基于传统激光冲击仿真策略,提出了一种连续显式动态冲击仿真策略。使用显式动态分析完成多次冲击,再进行隐式静态分析得到稳定残余应力场;建立ABAQUS三维平板有限元模型,基于该策略研究了多次冲击后残余应力场的分布;Python后处理后,残余应力模拟值与测量值吻合较好。结果表明:当激光功率密度为1 GW/cm2时最大残余应力为-212.5 MPa,其测量均值为-216.7 MPa,误差为1.9%。激光功率密度从1 GW/cm2增加至4 GW/cm2,残余应力层深度由0.7 mm增加至1 mm。验证了该策略的准确性,在大幅度提高仿真效率的基础上有效地提高了模拟精度,为大型结构大面积激光冲击强化数值模拟提供了一种仿真思路。      

热障涂层残余应力的拉曼光谱测量及数值分析

 为了研究航空发动机热障涂层(TBCs)制备过程中残余应力的分布问题,采用大气等离子喷涂技术(APS)在镍基高温合金GH99上制备了热障涂层(CoCrAlY粘结层和ZrO₂陶瓷面层),对热障涂层进行了100~3 500 cm^-1激光拉曼光谱扫描,并采用有限元方法计算了与之对应的热障涂层有限元模型应力分布.分析了涂层系统内部轴向残余应力的分布情况并对比分析了激光拉曼光谱频移及有限元计算结果.激光拉曼分析结果表明:轴向陶瓷层内部呈现压应力,在陶瓷层/粘结层界面处应力达到最大值14.8 MPa,粘结层内呈现拉应力;数值分析应力变化趋势与激光拉曼测试分析结果相吻合.     

磨粒磨损对砂带磨削TC17表面完整性的影响研究

砂带磨粒磨损直接影响磨削表面质量进而影响构件综合服役性能.以表面完整性为评估指标,对砂带磨损前后钛合金的表面加工质量进行了试验研究,揭示了砂带磨粒磨损对磨削TC17表面粗糙度、残余应力和表面硬度的影响规律及机制.结果表明,磨粒磨损后由于高度均匀化、单位面积切削磨粒数增加、磨削深度减小,使得表面粗糙度减小、纹理均匀细腻,...     

有机玻璃残余应力与双折射条纹的关系

 本文通过实验,讨论了有机玻璃残余应力与双折射条纹（冻结应力条纹和热应力条纹）的定量关系,得出可以根据热应力条纹由应力光学定律直接获取有机玻璃残余应力的结论。作者基于这一论点,考察了不同冷却条件下平板有机玻璃残余应力沿断面的分布规律;研究了热处理工艺参数对消除有机玻璃残余应力的影响;测定了三种不同型号飞机舱玻璃的残余应力。     

碳纤维增强铝合金层合板的残余热应力分析

碳纤维增强铝合金层合板（CARALL）是由碳纤维复合材料和铝合金薄板制成的,由于碳纤维复合材料和铝合金的热膨胀系数相差很大,加热固化后会产生较大的残余热应力。本文对碳纤维增强铝合金层合板中残余热应力进行了分析,并在碳纤维增强铝合金层合板的加热固化阶段,使用二次加热法来降低碳纤维复合材料和铝合金薄板的粘结温度,从而降低残余热应力。     

热障涂层残余应力的相移云纹法测试

本文针对的热障涂层（ＴＢＣ）的细微结构和微小变形特点,提出了一种新的高精度的相移云纹图像处理实验技术,把它同释放法相结合,利用高温云纹光栅,对电子束—物理气相沉积（ＥＢ－ＰＶＤ）热障涂层的残余应力分布进行了测试研究,并与其它方法进行了比较分析。     

激光冲击对TC11钛合金组织和力学性能的影响

对TC11钛合金进行激光冲击强化处理,通过透射电子显微镜观察不同参数下TC11钛合金的微观组织变化,用显微硬度计和X射线应力测试仪分别测试材料表层硬度和残余应力,并通过TC11钛合金标准疲劳试片高周振动疲劳试验验证激光冲击对其疲劳性能的影响.试验结果表明:激光冲击波作用后表面组织结构发生明显变化,当冲击次数增加,先后出现了高密度位错、位错胞和纳米级晶粒等微观组织特征.冲击10次后,表面残余应力最高达到-632.5MPa,相应的塑性变形层深度达到1500μm左右;同时表面硬度在冲击1次即可提高19%,硬度影响深度为700μm,随着次数增加而提高,但幅度不大.经3次冲击处理的TC11钛合金标准疲劳试片的疲劳极限由原始483MPa提高到593MPa.