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。     

纤维增强韧性基体复合材料界面损伤分析

用基于内聚力的界面模型分析了纤维增强韧性基体复合材料的界面损伤,研究了连续纤维增强复合材料受横向荷载时,诸如纤维排布方式、纤维体积占有率以及纤维和机体模量比等细观参数对界面损伤和材料拉伸强度的影响.研究发现,当纤维体积占有率和纤维模量提高,以及纤维按四方排布时,虽然能增加复合材料刚度,但纤维与基体的界面更容易损伤.当界面脱粘现象存在时,复合材料的拉伸强度主要由界面强度决定.     

纤维泊松收缩对陶瓷基复合材料疲劳迟滞回线的影响

采用细现力学方法研究了纤维泊松收缩对陶瓷基复合材料迟滞回线的影响.采用库仑摩擦法则描述脱粘区界面剪应力分布,结合拉梅公式得到了界面脱粘区和粘结区的细观应力场.根据卸载与重新加载时纤维相对基体滑移机制,分析了加、卸栽纤维轴向应力分布,假设纤维轴向应力在界面脱粘尖端连续得到了初载时界面脱粘长度ls、卸载时界面反向滑移长度y以及重新加载时界面滑移长度z',讨论了纤维泊松比、纤维体积百分数和界面摩擦系数对加卸栽界面滑移长度、迟滞回线的影响.由于考虑了纤雏泊松收缩的影响,预测的迟滞回线面积及卸载残余应变大于Pryce-Smith模型预测值.     

纤维失效对陶瓷基复合材料准静态加卸载迟滞回线的影响(英文)

采用双参数威布尔模型描述纤维强度分布,结合总体载荷承担准则确定基体裂纹平面处断裂纤维和完好纤维承担载荷。基于卸载/重新加载时纤维相对基体滑移损伤机理,确定了纤维轴向应力分布。采用断裂力学方法确定了界面脱粘长度、卸载界面反向滑移长度和重新加载新界面滑移长度,对比了不同峰值应力下考虑和未考虑纤维失效影响的迟滞回线,分析了纤维特征强度和纤维威布尔模量对纤维失效、迟滞回线形状和面积的影响,预测的迟滞回线与试验数据相吻合。     

树脂基纤维复合材料在湿热耦合及载荷-湿热耦合环境下的损伤分析（英文）

研究了环氧树脂基碳纤维增强复合材料（EP-CFRP）在高低温-湿度-拉伸载荷耦合作用下的损伤情况。考虑了两个高低温循环间隔（[-40～40℃]/[-40～25℃]）、两种湿度条件（浸泡在水中/无水）和3个荷载水平（无荷载/30%极限荷载/60%极限荷载）以及它们之间的耦合效应。结果表明，这3个因素对EP-CFRP的耐久性均有显著影响。这些因素的耦合效应对抗拉强度的影响较大，而对拉伸模量的影响较小。树脂基体与纤维界面产生的微裂纹被证明是后期强度降低的主要原因。湿度和拉伸载荷的耦合效应促进了裂纹的膨胀，加剧了对EP-CFRP的损伤。基于累积损伤理论，采用非线性拟合方法标定了EP-CFRP在3因素耦合作用下的剩余强度损伤模型。     

石英光纤与树脂界面剪切强度实验研究

为了克服无法精确控制光纤埋入长度和埋入方向等缺点,重新设计了光纤单丝拔出实验.有限元计算结果表明,新旧方法下,光纤各部分剪切应力的分布规律相同,且各相应应力数值误差不超过5%.根据原理设计了纤维穿透基体的光纤拔出实验模具,并进行了普通单模光纤以及碳涂敷单模光纤与基体材料间界面剪切强度实验研究.光纤单丝拔出实验现象表明,光纤涂敷层与内部包覆层间界面平均剪切强度较低,因该强度值与光纤周围的基体材料上承受的沿光纤轴向的正应力相关,若将光纤埋入到复合材料中去,轴向载荷不宜过大,否则会出现光纤涂敷层和包覆层之间界面剪切剥离,产生裂纹,从而降低整体结构的力学性能.     

2D-C/SiC复合材料螺栓连接结构可靠性分析

耐高温C/SiC陶瓷基复合材料因加工制造的复杂工艺,其性能参数存在明显的分散性。为了提高复合材料螺栓连接结构的可靠性建模精度,采用渐进损伤分析方法进行强度分析,采用不含交叉项二次响应面函数进行可靠性分析。采用改进的Hashin失效准则与Ye分层失效准则进行渐进损伤分析,分别对结构纤维与基体采用不同的刚度损伤模型,通过有限元仿真获得螺栓连接结构的拉伸极限承载能力,与试验值之间相对误差较小。将2D-C/SiC复合材料的刚度性能参数与强度参数作为随机变量,采用响应面法拟合结构功能函数,通过分析得到结构在拉伸载荷下的失效概率函数,并分析了各材料力学性能参数的灵敏度,发现面内剪切强度对结构可靠性影响较大。     

二维编织C／SiC复合材料高温拉伸性能研究

对二维编织C／SiC复合材料在1300℃高温氩气、湿氧环境下拉伸性能进行了实验,结合断口观察分析了其在拉伸载荷下的损伤和破坏机理。试验结果表明,二维编织C／SiC复合材料在高温氩气、湿氧环境下表现为非线性特征,通过对比发现,由于氧化作用,高温氩气环境下拉伸强度、破坏应变和比例极限均高于高温湿氧环境。断口观察表明,基体开裂、层间分层以及纤维和纤维束的断裂拔出是材料拉伸破坏的主要形式。     

面向纤维增强复合材料低速冲击损伤的非线性混合模型

基于连续介质损伤力学提出了一种纤维增强复合材料(Fiber reinforced polyrner/plastic,FRP)结构低速冲击损伤预测的渐进损伤模型,包含非线性剪应力应变关系和归一化的混合模式基体损伤演化,用来预测复合材料层合板低速冲击损伤。模型区分了纤维拉伸/压缩、纤维间拉伸/压缩4种层内损伤以及层间分层损伤;纤维间损伤起始由Puck失效准则预测,损伤演化由断裂面上的等效应变控制,失效判定时考虑了就位效应对强度的影响;模型中加入单元特征长度以消除计算结果对网格密度的依赖性。以[45_4/-45_8/45_4],[0_3/45/-45]_S和[45/-45/0_2/90/45/0_2/-45/45]_3三种铺层的复合材料层合板为例,预测了不同冲击能量下复合材料层合板的低速冲击损伤响应参数,试验结果证明了本文模型的有效性。     

界面韧性对C/SiC材料拉伸强度影响分析

C/SiC复合材料的损伤失效行为与内部微细观组分的原位力学性能的密切相关。本文通过多尺度建模结合渐进损伤分析，研究了微观界面层断裂韧性对C/SiC宏观拉伸强度的影响。微观渐进损伤分析表明不同界面层韧性可以产生两种损伤扩展模式，显著改变纤维束横向拉伸和轴向剪切强度值；基于三维Hashin准则的细观损伤分析进一步表明会对C/SiC的宏观拉伸强度产生8.2%的影响。本文的结果可以为C/SiC复合材料失效分析及优化设计提供支撑。     

氧化铝陶瓷SHPB加载下的数值模拟研究

利用微裂纹扩展区模型,在JH-2本构模型中增加了类似于TCK本构模型的拉伸损伤因子,编制了材料本构模型子程序,并将其嵌入到LS-DYNA970有限元软件中,对SHPB实验进行了数值模拟。结果表明,Weibull参数k对陶瓷试样的拉伸损伤有较大的影响,当Weibull参数k值小于1×1020时,试样破坏是压缩破坏;当Weibull参数k超过1×1028时,试样破坏是拉伸损伤破坏。当载荷超过陶瓷压缩强度时,含初始裂纹氧化铝陶瓷的破坏形式是拉伸损伤和压缩破坏共同作用的结果;当载荷小于陶瓷压缩强度时,JC陶瓷破坏是拉伸损伤作用的结果。     

复合材料层合板低速冲击损伤的预测模型

在低速冲击载荷作用下,建立了一种适用于铺层总数较多的复合材料层合板的损伤预测模型。采用三维Puck失效准则预测层内纤维与基体的破坏,并获得基体失效时的断裂面角度。根据低速冲击下复合材料层合板的层间分层损伤机理,同时考虑面内横向正应力、厚度方向正应力、层间剪应力和相邻铺层的损伤状态等因素对界面分层的影响,发展了一种新的冲击分层失效准则。为快速有效地预测铺层总数较多的复合材料层合板的冲击损伤,通过对单元积分点处的应变进行线性插值,提出了在单个实体单元内预测多个铺层损伤的数值计算方法。模型成功预测了受冲击层合板具体的失效模式,预测的分层形状和尺寸与试验值吻合较好,并显著减少了有限元模型的规模,表明本文所发展的数值方法对预测复合材料层合板低速冲击损伤的有效性。     

复合材料断裂的基体开裂模型

运用基体开裂模型对含有穿透裂纹的单向纤维复合材料进行了断裂分析，将理论预测结果和实验数据进行了比较。提出了决定裂纹前缘核心区域半径rc的定量公式以及确定材料临界应变能密度因子Sc的新方法。补充考虑了几个附加能量吸收过程，对应变能密度准则进行了开拓。实验试样的制备采用了预设裂纹的新方法。     

金属基复合材料的切削加工

选用四种切削性能优良的刀具材料：细晶粒硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和聚晶金刚石，对两种典型的金属基复合材料即氧化铝纤维增强与碳化硅颗粒和氧化铝纤维混杂增强铝基复合材料的切削加工性进行了全面深入地研究。结果表明：加工混杂增强铝基复合材料时，聚晶金刚石刀具的磨损阻力最大。而加工纤维增强复合材料时，细晶粒硬质合金刀具的磨损率低、工件表面完整性好且加工成本最低。本文对刀具的磨损机理也进行了深入探讨。最后，从刀具磨损和表面完整性观点出发，给出了加工不同金属基复合材料的最佳刀具材料。     

碳/锌复合材料的制备与性能研究

本文采用真空液态渗透法制备了碳/锌复合材料。拉伸和磨损试验表明:碳纤维的加入,明显提高了锌以及锌合金的抗拉强度,改善了锌合金的摩擦磨损特性。用S-570扫描电镜观察了碳/锌复合材料的拉伸和冲击断口,以及碳/锌复合材料的磨损表面,并用X-射线能谱仪对断口进行了分析。此外,本文还对碳/锌复合材料的纵向拉伸性能、纵向冲击性能以及摩擦磨损性能的影响因素进行了讨论。