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.      

陶瓷基复合材料单纤维拔出力学分析

建立了考虑界面滑动摩擦的复合材料单纤维拔出力学模型,得到了包含泊松效应影响的基体轴向应力、纤维轴向应力和界面剪切应力的表达式.针对SiC/RBSN陶瓷基复合材料,在部分脱粘/滑移和完全粘结情况下,对纤维、基体、界面的应力分布进行了分析.计算结果与有限元计算结果相比,具有较好的一致性.结果表明:纤维百分含量的变化能够改变界面发生脱粘/滑移失效点的位置;界面发生脱粘/滑移后的脱粘扩展比界面完全粘结的脱粘扩展更容易发生;不考虑热不匹配的影响,仅通过增加界面摩擦系数不能使应力重分布发生很大变化.      

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.      

复合材料界面对其断裂过程影响的有限元研究

采用了有限元方法研究了裂纹在陶瓷基复合材料中扩展和偏转过程,探讨了界面对陶瓷基复合材料失效模式的影响.采用的界面模型考虑界面的分离势和基体与纤维间的摩擦.结果表明,在界面结合强度一定的条件下,随着基体弹性模量的不断增大,材料的断裂功也随之增大,材料的韧性和抗热震性能也就随之提高.     

纤维增强AZ91镁基复合材料的阻尼性能

纤维增强的镁基复合材料中,通过在纤维表面沉积一层热解碳而获得了一种特殊的界面层,研究了该复合材料的阻尼性能。结果表明,温度低于170℃时,纤维表面的碳涂层显著提高了复合材料的阻尼性能,相应的阻尼机制归结于位错阻尼、界面阻尼和组元的本征阻尼;高于170℃时,由于界面阻尼和晶界阻尼的贡献,没有涂层的复合材料的阻尼性能超过了有涂层的复合材料。     

连续纤维增韧陶瓷基复合材料的发展及在航空发动机上的应用

介绍了连续纤维增韧陶瓷基复合材料的结构组成以及陶瓷基体材料、增强体纤维、界面层的发展情况,概述了连续纤维增韧陶瓷基复合材料在国内外航空发动机热端部件上的应用。从工程运用角度,探讨了连续纤维增韧陶瓷基复合材料工程化运用面临的问题及解决措施。结合我国航空发动机的发展需求及连续纤维增韧陶瓷基复合材料研究、应用现状,提出了加快连续纤维增韧陶瓷基复合材料研究及工程化应用的建议。     

纤维泊松收缩对陶瓷基复合材料基体裂纹演化影响

采用细观力学方法分析了陶瓷基复合材料在单向拉伸载荷作用下纤维泊松收缩对基体裂纹演化的影响,将库仑摩擦法则与拉梅公式相结合分析复合材料细观应力场,结合临界基体应变能准则以及界面脱粘断裂力学方法确定基体裂纹演化,讨论了界面摩擦系数、纤维泊松比、界面脱粘韧性以及纤维体积百分比等参数对界面脱粘和基体裂纹演化产生的影响,并与常界面剪应力假设下基体裂纹演化进行了对比.      

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.      

氧化物/氧化物陶瓷基复合材料的研究进展

氧化物/氧化物陶瓷基复合材料具有低密度、高强度、耐高温、抗氧化等优点,是航空航天热端构件理想的候选材料。本文从增强纤维、陶瓷基体、界面层、制备工艺、考核应用等方面综述了氧化物/氧化物陶瓷基复合材料的研究现状,着重阐述了商业化生产的氧化物纤维基本性能以及主要的氧化物/氧化物陶瓷基复合材料制备工艺,并指出提高氧化物纤维高温强度稳定性和优化复合材料制备工艺的途径。     

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。     

Multi-scale thermodynamic analysis method for 2D SiC/SiC composite turbine guide vanes

Ceramic Matrix Composite (CMC) turbine guide vanes possess multi-scale stress and strain with inhomogeneity at the microscopic scale. Given that the macroscopic distribution cannot reflect the microscopic stress fluctuation, the macroscopic method fails to meet the requirements of stress and strain analysis of CMC turbine guide vanes. Furthermore, the complete thermodynamic properties of 2D woven SiC/SiC-CMC cannot be obtained through experimentation. Accordingly, a method to calculate the thermodynamic properties of CMC and analyze multi-scale stress and strain of the turbine guide vanes should be established. In this study, the multi-scale thermodynamic analysis is investigated. The thermodynamic properties of Chemical Vapor Infiltration (CVI) processed SiC/SiC-CMC are predicted by a Representative Volume Element (RVE) model with porosity, leading to the result that the relative error between the calculated in-plane tensile modulus and the experimental value is 4.2%. The macroscopic response of a guide vane under given conditions is predicted. The relative error between the predicted strain on the trailing edge and the experimental value is 9.7%. The calculation of the stress distribution of micro-scale RVE shows that the maximum value of microscopic stress, which is located in the interlayer matrix, is more than 1.5 times that of macroscopic stress in the same direction and the microscopic stress distribution of the interlayer matrix is related to the pore distribution of the composite.     

Numerical Simulation of Dynamic Response of Fiber Reinforced Ceramic Matrix Composite Beam with Matrix Cracks Using Multiscale Modeling

A multiscale method for simulating the dynamic response of ceramic matrix composite (CMC) with matrix cracks is developed. At the global level, the finite element method is employed to simulate the dynamic response of a CMC beam. While at the local level, the multiscale mechanical method is used to estimate the stress/strain response of the material. A distributed computing system is developed to speed up the simulation. The simulation of dynamic response of a Nicalon/CAS-II beam being subjected to harmonic loading is performed as a numerical example. The results show that both the stress/strain responses under tension and compressive loading are nonlinear. These conditions result in a different response compared with that of elastic beam, such as: 1) the displacement response is not symmetric about the axis of time; 2) in the condition of small external load, the response at first order natural frequency is limited within a finite range; 3) decreasing the matrix crack space will increase the displacement response of the beam.     

快速凝固/粉末冶金工艺Al-Fe-Mo-Si基复合阻尼材料阻尼性能与机制

通过对材料动态力学性能的测试,研究了采用快速凝固/粉末冶金工艺制备的Al-Fe-Mo-Si基复合阻尼材料Al-Fe-Mo-Si/Zn-Al和Al-Fe-Mo-Si/Al/Zn Al的阻尼性能,并对其阻尼机制进行了讨论。结果表明:在20～250℃的温度范围内,两种材料的阻尼性能(Q-1)处于(0.5～3.1)×10-2之间,复合有较多Zn Al且挤压比较大的Al Fe Mo-Si/Zn-Al的阻尼性能要优于Al-Fe-Mo-Si/Al/Zn-Al。低温时由大挤压变形引入的高密度位错阻尼在材料内耗机制中占据主导地位,而在高温区界面阻尼的影响逐渐增加,同时由于热激活作用,位错阻尼随着温度的升高表现出不同的作用机制,二者共同决定着材料的内耗特性。     

陶瓷基复合材料疲劳寿命预测方法

为了建立CMC疲劳寿命预测方法,推广CMC在航空发动机中的应用,根据BHE剪滞模型理论,分析了随着疲劳峰值应力的大小不同,CMC可能出现的4种疲劳迟滞行为,推导了每种迟滞行为下的循环应力-应变公式,模拟了给定应力条件下的疲劳迟滞回线,通过与试验数据对比,证明了迟滞回线模拟的准确性,进一步分析了界面剪应力随疲劳循环数的退化关系。结合界面剪应力退化模型与纤维强度退化模型,设计了纤维应力计算和疲劳寿命计算流程。针对2维编织CMC,根据单胞有限元计算结果提取了纤维束应力,并对CMC进行了疲劳寿命计算,推导了CMC疲劳寿命S-N曲线,其结果与试验数据基本吻合。针对2维编织CMC的疲劳寿命预测方法,可用于编织结构的CMC涡轮导叶疲劳寿命分析。     

带摩擦阻尼叶片与轮盘耦合系统的振动分析

本文用非比例粘性阻尼等效航空发动机叶／盘耦合系统振动时叶片上凸肩（冠）接触面间产生的摩擦阻尼效应对叶／盘系统固有振动特性及响应特性的影响。利用由滞后弹簧摩擦模型所得到的等效粘性阻尼及等效刚度系数,在局部坐标下建立接触面间的刚度及阻尼矩阵,以分析阻尼对叶／盘系统的减振效应。文中所建立的基本公式、分析方法、由计算所导出的无因次曲线及振型与振动应力分布的后处理云图,可供叶轮机的设计、研制、排故及改型参考。     

喷雾共沉积石墨增强锌基复合材料的低频内耗

 在ZA27合金中添加50mg.g-1Si并采用喷雾共沉积技术制备了石墨颗粒体积分数分别为5%,10%,15%的锌基复合材料。采用多功能内耗仪对材料的低频内耗（1Hz,4Hz）行为进行了测量。结果发现,复合材料的内耗值大小与温度显着相关,较低温度时复合材料的内耗值低于喷雾沉积材料;随着温度的上升,40℃以后高于喷雾沉积材料;同时随石墨颗粒体积分数的增加,复合材料的内耗值逐步提高且不同频率条件下内耗相等时所对应的温度值线性上升。分析了石墨复合前后材料的主要内耗机制。     

纤维增韧陶瓷基复合材料热端部件的热分析方法现状和展望

以陶瓷基复合材料（CMC）为代表的纤维增韧复合材料具有耐高温、高强度、低密度等特点,在航空燃气涡轮发动机、火箭发动机等动力装置中逐步得到工程应用。CMC材料因其自身特殊的结构特点,使得其导热系数呈现出明显的各向异性,进而导致传统基于均质金属材料的热分析方法将不再适用于CMC热端部件。总结了单向纤维、2/2.5维编织纤维、3维编织纤维等典型纤维增韧CMC材料导热系数预测方法的研究进展和CMC热端部件热分析方法的研究现状。综合来看,如何在热分析中高效引入CMC材料微观尺度信息,建立起精度高且工程可应用的CMC热端部件跨尺度热分析方法是目前亟需突破的技术难题。面向未来CMC热端部件的工程应用,基于三维微观结构特征重构的热分析模型是建立CMC热端部件高精度热分析方法的关键,同时热分析还需要同制造工艺、力学行为分析等进一步紧密结合。     

RE及Al5TiB对ZA84镁合金阻尼性能的影响

研究了变质剂RE及Al5TiB对Mg-8Zn-4Al-0．3Mn（ZA84）镁合金阻尼性能的影响。研究表明，RE的加入降低了合金在低温（〈80℃）时的阻尼性能，但明显提高了合金在高温（≥80℃）时的阻尼性能；而Al5TiB的加入则同时提高了合金室温及高温阻尼性能。经Al5TiB变质的合金在室温时即表现出了Q^-1=0．01的高阻尼。由于高温下合金中相的软化及界面的粘性滑动，ZA84镁合金在高温时存在一个温度内耗峰，加入RE后推迟了合金中温度内耗峰的出现温度。分析认为，加入RE及Al5TiB后合金的阻尼机制主要是位错机制和界面机制。可动位错密度越高，晶粒越细，晶界和相界面越多，阻尼性能越好。     

A comparative study on acoustic damping induced by half-wave, quarter-wave, and Helmholtz resonators

The damping characteristics of three-type resonators, a half-wave, a quarter-wave, and a Helmholtz resonator are studied experimentally by adopting linear acoustic test. A quantitative acoustic property of sound absorption coefficient in a model enclosure with the resonators is measured and thereby, the acoustic-damping capacity of a resonator is characterized. For a comparative study on acoustic damping, the damping capacity of a half-wave resonator is compared with that of the other resonators. A half-wave and a quarter-wave resonators have the same damping mechanism, but a quarter-wave resonator has much larger damping capacity than a half-wave resonator with the same diameter of a single resonator. It is found that shorter length of a resonator has the advantage of longer one with respect to the damping capacity. The damping capacity of a Helmholtz resonator increases with cavity volume and does as the orifice length decreases. A Helmholtz resonator has the highest damping capacity of three-type resonators and a half-wave resonator has the lowest. Besides, a Helmholtz resonator requires the smallest number of resonators for optimal damping. The design criterion of each resonator on the optimal damping is provided by the normalized parameter of open-area ratio and the similarity behavior for the optimal damping is observed for various enclosure diameters.     

温度对Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金静态回复力学行为的影响

采用双道次热压缩实验,研究了新型Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金铸态试样在温度300~400℃,应变速率0.01~0.1 s~(-1),变形程度33%+20%,保温0~900 s静态回复过程中的流变应力行为。结果表明:温度对该合金静态回复力学行为影响显著;(1)300℃和330℃温度较低时,变形过程中回复较慢,存储的变形能较高,保温期间的回复和再结晶使第二道次流变应力降低,表现为流变应力软化现象,且随着道次间保温时间的延长应力的软化程度增大;保温过程中析出相的出现减缓了应力软化速率;(2)温度升高到360℃和400℃时,变形过程中回复充分,存储的变形能低;变形保温后基体的固溶度高,第二道次流变应力升高,表现为流变应力硬化现象;360℃变形保温期间的回复/再结晶使得随着道次间保温时间的延长应力又逐渐降低软化,析出相减缓了应力的软化速率;而400℃变形保温期间没有回复/再结晶和析出相,所以硬化后的应力并不随着道次间保温时间的延长而发生变化。