一种考虑热疲劳损伤的编织陶瓷基复合材料拉伸行为预测方法技术

本发明专利技术涉及编织陶瓷基复合材料拉伸行为预测技术领域，提供了一种考虑热疲劳损伤的编织陶瓷基复合材料拉伸行为预测方法，本发明专利技术首先基于编织陶瓷基复合材料热疲劳损伤细观应力场，建立基体开裂、界面脱粘及纤维断裂后的纤维轴向应力分布方程，并结合基体裂纹间距方程、界面脱粘长度方程、完好纤维承担应力方程，建立编织陶瓷基复合材料考虑热疲劳损伤应力应变关系方程。本发明专利技术提供的预测方法考虑了热疲劳对编织陶瓷基复合材料基体随机开裂、界面脱粘、氧化、磨损以及纤维断裂的影响，能够准确的预测热疲劳载荷对编织陶瓷基复合材料造成的损伤问题。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑热疲劳损伤的编织陶瓷基复合材料拉伸行为预测方法
本专利技术涉及编织陶瓷基复合材料拉伸行为预测
，尤其涉及一种考虑热疲劳损伤的编织陶瓷基复合材料拉伸行为预测方法。
技术介绍
编织陶瓷基复合材料具有耐高温、耐腐蚀、低密度、高比强、高比模等优点，相比高温合金，能够承受更高的温度，减少冷却气流，提高涡轮效率，目前已经应用于航空发动机燃烧室、涡轮导向叶片、涡轮壳环、尾喷管等。由CFM公司研制的LEAP(LeadingEdgeAviationPropulsion,LEAP)系列发动机，高压涡轮采用了编织陶瓷基复合材料部件，LEAP-1B发动机为空客A320和波音737MAX提供动力，LEAP-X1C发动机是我国大型飞机C919选用的唯一动力装置。为了保证编织陶瓷基复合材料在飞机和航空发动机结构中使用的可靠性与安全性，美国联邦航空局将陶瓷基复合材料性能评估、损伤演化、强度与寿命预测工具的开发作为陶瓷基复合材料结构部件适航取证的关键。在热疲劳载荷作用下，编织陶瓷基复合材料基体出现裂纹，界面发生脱粘、氧化和磨损，纤维发生断裂，影响其服役阶段的力学性能。目前尚未针对热疲劳载荷下编织陶瓷基复合材料拉伸行为开展研究，如何考虑热疲劳对编织陶瓷基复合材料拉伸行为的影响，是编织陶瓷基复合材料结构实际工程应用需要解决的关键技术问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种考虑热疲劳损伤的编织陶瓷基复合材料拉伸行为预测方法，本专利技术提供的方法能够准确的预测热疲劳载荷对编织陶瓷基复合材料造成的损伤问题。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：一种考虑热疲劳损伤的编织陶瓷基复合材料拉伸行为预测方法，包括以下步骤：(1)确定编织陶瓷基复合材料沿应力加载方向纤维体积含量，采用剪滞模型分析陶瓷基复合材料热疲劳损伤细观应力场，根据编织陶瓷基复合材料热疲劳损伤细观应力场，建立基体开裂、界面脱粘及纤维断裂后的纤维轴向应力分布方程；(2)采用基体随机开裂模型，建立编织陶瓷基复合材料基体裂纹间距方程；(3)基于断裂力学界面脱粘准则，建立编织陶瓷基复合材料界面脱粘长度方程；(4)基于总体载荷承担准则，建立纤维断裂概率方程以及编织陶瓷基复合材料完好纤维承担应力方程；(5)利用步骤(1)得到的纤维轴向应力分布方程、步骤(2)得到的基体裂纹间距方程、步骤(3)得到的界面脱粘长度方程以及步骤(4)得到的完好纤维承担应力方程建立编织陶瓷基复合材料考虑热疲劳损伤应力应变关系方程，预测热疲劳载荷下编织陶瓷基复合材料的拉伸行为。优选的，根据所述步骤(1)中编织陶瓷基复合材料沿应力加载方向纤维体积含量得到沿应力加载方向纤维有效体积含量系数，所述沿应力加载方向纤维有效体积含量系数根据式1计算得到：式1中：χ为编织陶瓷基复合材料沿应力加载方向纤维有效体积含量系数，Vf_loading为编织陶瓷基复合材料沿应力加载方向纤维体积含量，Vf为编织陶瓷基复合材料纤维体积含量。优选的，所述步骤(1)中基体开裂、界面脱粘及纤维断裂后的纤维轴向应力分布方程如式2所示：式2中：σf(x)表示纤维轴向应力，rf为纤维半径，τf为界面氧化区摩擦剪应力，τi(N)为界面磨损区剪应力，ζ(t)为界面氧化区长度，ld为界面脱粘长度，lc为基体裂纹间距，ρ为剪滞模型参数，σfo为纤维在界面粘结区应力，Φ为完好纤维承担应力，x为沿纤维轴向坐标。优选的，所述界面氧化区长度通过式2-1得到：式2-1中：为模型参数，t为时间，b为延迟参数；其中，通过式2-2得到，通过式2-3得到：式2-2和2-3中：T为温度；所述界面磨损区剪应力通过式2-4得到：(τi(N)-τs)/(τ0-τs)＝(1+b0)(1+b0Nj)-1式2-4；式2-4中：τ0为初始界面剪应力；τs为稳态界面剪应力；b0、j为模型参数，N为循环数。优选的，所述步骤(2)中基体裂纹间距方程如式3所示：式3中：Λ为名义裂纹间距，σmc为初始裂纹间距，σth为热残余应力，σR为基体开裂特征应力，m为基体威布尔模量，Vm为基体体积含量，Em为基体弹性模量，Ec为复合材料弹性模量。优选的，所述步骤(3)中界面脱粘长度方程如式4所示：式4中：ξd为界面脱粘能，Ef为纤维弹性模量。优选的，所述步骤(4)中完好纤维承担应力方程如式5所示：式5中：P为纤维断裂概率，<L>为纤维拔出长度，σ为外应力；所述纤维断裂概率根据纤维断裂概率方程计算得到，所述纤维断裂概率方程如式5-1所示：式5-1：σc为纤维特征强度，mf为纤维威布尔模量。优选的，所述步骤(5)中编织陶瓷基复合材料考虑热疲劳损伤应力应变关系方程如式6所示：式6中：εc表示复合材料应变，αc为复合材料热膨胀系数，αf为纤维热膨胀系数，ΔT为材料测试温度与制备温度之间的温度差。本专利技术提供了一种考虑热疲劳损伤的编织陶瓷基复合材料拉伸行为预测方法，本专利技术提供的预测方法考虑了热疲劳对编织陶瓷基复合材料基体随机开裂、界面脱粘、氧化、磨损以及纤维断裂的影响，预测了考虑热疲劳损伤的编织陶瓷基复合材料拉伸曲线，能够准确的预测热疲劳载荷对编织陶瓷基复合材料造成的损伤问题。附图说明图1为剪滞单胞模型；图2为实施例1得到的三维编织陶瓷基复合材料热疲劳载荷的拉伸应力应变曲线。具体实施方式本专利技术所述考虑热疲劳损伤的编织陶瓷基复合材料拉伸行为预测方法中包括多项参数，为清楚理解本专利技术，先对本专利技术预测方法中涉及的参数、参数符号及参数含义进行解释说明，如表1所示。表1考虑热疲劳损伤的编织陶瓷基复合材料拉伸行为预测方法参数说明注：复合材料表示编织陶瓷基复合材料，纤维表示编织陶瓷基复合材料中的纤维，基体表示编织陶瓷复合材料中的基体，界面均为纤维/基体界面。为进一步清楚描述本专利技术所述的考虑热疲劳损伤的编织陶瓷基复合材料拉伸行为预测方法，本专利技术提供编织陶瓷基复合材料损伤区域的剪滞单胞模型图(图1所示)，以对本专利技术部分参数的含义做进一步说明。如图1所示，x表示轴向方向，σ/Vf表示基体裂纹平面纤维承担应力，编织陶瓷基复合材料包括纤维(Fiber)和基体(Matrix)，在应力(σ)的作用下，编织陶瓷基复合材料受损区域的纤维和基体会产生相对移动，形成了界面氧化区和磨损区，纤维与基体之间相对移动产生的摩擦力为界面氧化区摩擦剪应力(τf)和界面磨损区摩擦剪应力(τi)，界面磨损区摩擦剪应力在不同循环数下的取值不同，以τi(N)表示；纤维与基体界面由于脱粘而产生脱粘长度(ld)。基于表1和图1的说明，对本专利技术提供的考虑热疲劳损伤的编织陶瓷基复合材料拉伸行为预测方法的具体实施过程进行如下的说明：一种考虑热疲劳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑热疲劳损伤的编织陶瓷基复合材料拉伸行为预测方法，包括以下步骤：/n(1)确定编织陶瓷基复合材料沿应力加载方向纤维体积含量，采用剪滞模型分析陶瓷基复合材料热疲劳损伤细观应力场，根据编织陶瓷基复合材料热疲劳损伤细观应力场，建立基体开裂、界面脱粘及纤维断裂后的纤维轴向应力分布方程；/n(2)采用基体随机开裂模型，建立编织陶瓷基复合材料基体裂纹间距方程；/n(3)基于断裂力学界面脱粘准则，建立编织陶瓷基复合材料界面脱粘长度方程；/n(4)基于总体载荷承担准则，建立纤维断裂概率方程以及编织陶瓷基复合材料完好纤维承担应力方程；/n(5)利用步骤(1)得到的纤维轴向应力分布方程、步骤(2)得到的基体裂纹间距方程、步骤(3)得到的界面脱粘长度方程以及步骤(4)得到的完好纤维承担应力方程建立编织陶瓷基复合材料考虑热疲劳损伤应力应变关系方程，预测热疲劳载荷下编织陶瓷基复合材料的拉伸行为。/n

【技术特征摘要】
1.一种考虑热疲劳损伤的编织陶瓷基复合材料拉伸行为预测方法，包括以下步骤：
(1)确定编织陶瓷基复合材料沿应力加载方向纤维体积含量，采用剪滞模型分析陶瓷基复合材料热疲劳损伤细观应力场，根据编织陶瓷基复合材料热疲劳损伤细观应力场，建立基体开裂、界面脱粘及纤维断裂后的纤维轴向应力分布方程；
(2)采用基体随机开裂模型，建立编织陶瓷基复合材料基体裂纹间距方程；
(3)基于断裂力学界面脱粘准则，建立编织陶瓷基复合材料界面脱粘长度方程；
(4)基于总体载荷承担准则，建立纤维断裂概率方程以及编织陶瓷基复合材料完好纤维承担应力方程；
(5)利用步骤(1)得到的纤维轴向应力分布方程、步骤(2)得到的基体裂纹间距方程、步骤(3)得到的界面脱粘长度方程以及步骤(4)得到的完好纤维承担应力方程建立编织陶瓷基复合材料考虑热疲劳损伤应力应变关系方程，预测热疲劳载荷下编织陶瓷基复合材料的拉伸行为。


2.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，根据所述步骤(1)中编织陶瓷基复合材料沿应力加载方向纤维体积含量得到沿应力加载方向纤维有效体积含量系数，所述沿应力加载方向纤维有效体积含量系数根据式1计算得到：



式1中：χ为编织陶瓷基复合材料沿应力加载方向纤维有效体积含量系数，Vf_loading为编织陶瓷基复合材料沿应力加载方向纤维体积含量，Vf为编织陶瓷基复合材料纤维体积含量。


3.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述步骤(1)中基体开裂、界面脱粘及纤维断裂后的纤维轴向应力分布方程如式2所示：



式2中：σf(x)表示纤维轴向应力，rf为纤维半径，τf为界面氧化区摩擦剪应力，τi(N)为界面磨损区剪应力，ζ(t)为界面氧化区长度，ld为界面脱粘长度，lc为基体裂纹间距，ρ为剪滞模型参数，σfo为纤维在界面粘结区应力，Φ为完好纤维承担应力，x为沿纤维轴向坐标。


4.根据权利要求3所述的预...

【专利技术属性】
技术研发人员：李龙彪，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32