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.      

含Ⅰ型裂纹复合固体推进剂双轴拉伸实验研究

开展了复合固体推进剂含Ⅰ型裂纹拉伸实验研究。采用不同拉伸速率,获得双向拉伸极限特性主曲线和应力—应变破坏曲线,为推进剂材料破坏分析的经验准则提供判据。结果表明,如果复合固体推进剂的断裂阻力被看作是材料常数,则裂纹驱动力必受到平行于裂纹之应力的影响,在一定范围内裂纹驱动力与平行应力成反比关系。当平行应力超过屈服应力以后,因平行应力太大超过了损伤阀值,在推进剂中造成了损伤,从而断裂韧性下降。     

2.5维自愈合C/SiC复合材料的拉伸应力-应变关系

根据2.5维自愈合C/SiC复合材料的细观结构特点,基于界面开裂和基体开裂的损伤机理,分别建立了该材料经向和纬向拉伸的细观力学模型,进而得到了经向和纬向拉伸的非线性应力-应变关系,应力-应变曲线的预测结果与试验值吻合较好.结果表明:纬向应力-应变曲线的最大预测误差为9%,经向应力-应变曲线的最大预测误差约为10%,经向和纬向的应力-应变关系不同.该模型采用切线弹性模量和平均裂纹间距的方法,省去了以往模型复杂的应变计算过程,使模型得到简化,便于应用.      

2.5维自愈合C/SiC复合材料的拉伸损伤及强度

试验研究了2.5维自愈合C/Si C复合材料的单轴拉伸损伤特征,发现拉应力小于50 MPa时经向和纬向模量基本无变化,50 MPa后残余应变逐渐增大。根据主裂纹面受力情况,建立了单向增强自愈合C/Si C复合材料的脆性断裂模型和韧性断裂模型,并利用其预测了2.5维自愈合C/Si C复合材料的经向和纬向强度。结果表明,2.5维自愈合C/Si C复合材料的经向和纬向拉伸发生脆性断裂,脆性断裂模型预测值与试验值吻合较好。     

2D-C/SiC缺口试样的拉伸行为

研究了具有双边对称圆弧缺口（试样厚3 mm宽4 mm,缺口半径2 mm,缺口深0.6 mm）的二维正交编织C/SiC试样在室温空气中与高温真空下拉伸行;测量了拉伸过程中的应力、应变、初始模量和电阻;并用SEM观察断口.结果表明,2D-C/SiC材料除室温下缺口试样的拉伸强度低于光滑试样外,高温下两者基本相当,两者都随温度的升高变化也基本一致.高温下缺口试样拉伸强度与光滑试样相当说明,该材料对应力集中不敏感;室温时对应力集中敏感.缺口试样的断裂应变要远小于光滑试样的断裂应变.2D-C/SiC材料缺口试样基体裂纹开裂应力随着试验温度的上升逐渐增加.缺口试样的相当模量高于同一温度下光滑试样的弹性模量,两者都随着试验温度上升而增加,在1 100℃达最大值,然后开始下降.电阻表征的损伤大体上随载荷增加而增加,1 300℃和1 500℃条件下,较小载荷范围内有下降现象.从室温到1 500℃,所有断口中与载荷方向垂直的纤维束断裂面平整,平行于载荷方向的纤维束断面参差不齐.2D-C/SiC复合材料总体上仍属于脆性断裂,局部上有纤维或纤维束内小的纤维集团拔出,吸收了较多的能量,存在增韧机制.     

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%.      

单向陶瓷基复合材料任意应力本构行为快速计算方法

为了实现快速预测陶瓷基复合材料(CMCs)任意应力加卸载作用后的损伤状态和本构行为,对CMCs任意应力加卸载力学行为进行研究。提出了任意应力加卸载曲线简化方法,得到仅包含决定CMCs损伤状态的等效载荷曲线。基于剪滞模型,直接给出CMCs在等效载荷曲线作用后的滑移区分布,避免对载荷曲线的逐点计算。进而预测了材料的损伤状态和应力应变行为。将原始加卸载曲线带入剪滞模型,计算CMCs滑移区分布和应力应变,并与本文提出的方法进行比较,结果表明,两种计算方法计算的结果一致,说明了本文提出的载荷曲线简化方法和滑移区分布计算方法是可行的。     

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.      

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.      

2.5维机织复杂结构件的静强度

采用宏细观结合方法,针对经纱和纬纱等材料组分可能发生的多种失效模式,分别建立了基于改进的Hashin准则的系统性的材料失效准则及不同失效模式下的刚度退化模型.引入逐渐损伤的思想,建立了2.5维机织复杂结构件静强度系统性分析方法.模拟并分析了材料经向拉伸和纬向拉伸的应力-应变曲线,与实验得到的材料应力-应变曲线相比,相同应变下应力误差不超过6.5%,具有较好的重合度;对2.5维机织压气机静子连接结构模拟件开展了逐渐损伤模拟,结果表明:结构损伤主要集中在叶根倒角附近,其中吸力面叶根处的基体压缩失效形式会引起结构大幅变形,是结构破坏的主要原因.