【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及材料力学，特别是涉及一种纤维束陶瓷基复合材料高温本构模型计算方法。
技术介绍
1、陶瓷基复合材料(ceramic matrix composites，cmcs)因其强度高、耐高温、韧性好、对裂纹不敏感和密度小等优点，被视为理想的航空发动机热端部件材料替代品。长时间服役于高温工况的航空发动机承受了振动、剪切、疲劳、拉压等各种复杂的载荷，这会导致发动机的结构特性发生巨大变化。各类载荷在cmcs结构上的作用，可视为材料单元在不断的进行任意循环拉压行为。然而，cmcs本构行为具有明显的非线性特征，力学行为预测十分困难。因此，为了保证cmcs结构在服役过程下的结构完整性并减轻潜在的风险，发展一种高温环境下cmcs的拉压本构模型是十分必要的。
2、cmcs力学性能难以预测的主要原因在于该材料具有复杂的细观损伤模式，从而呈现出非线性的本构关系。细观损伤的逐渐累积最终会导致材料宏观失效。纤维束cmcs的材料力学性能与各类复杂编织cmcs中的纱线十分相似，所以要想对cmcs结构进行精准的预测，首先得从纤维束cmcs的损伤机理进行研究。
3、专利公开号为cn114139385a的专利技术中公开了一种通过切线模量预测纤维增强陶瓷基复合材料疲劳损伤的方法，根据总体载荷承担准则，得到卸载和重新加载过程中在峰值应力处的完好纤维承担载荷，基于此根据断裂力学界面脱粘准则得到界面脱粘长度和滑移长度(包括卸载界面反向滑移长度和重新加载新界面滑移长度)，同时根据基体随机碎断模型确定基体裂纹间距，在此基础上获得卸载和重新加载过程中
技术实现思路
1、本专利技术的目的是为了提出一种纤维束陶瓷基复合材料高温本构模型计算方法，结合纤维束陶瓷基复合材料高温加卸载应力-应变曲线特性和细观损伤机理，建立了适用于不同温度环境下的纤维束陶瓷基复合材料在任意拉压载荷下的本构模型。本专利技术考虑了陶瓷基复合材料明显的非线性行为和复杂的损伤模式，适用于多种载荷下的力学响应计算。
2、为实现上述技术目的，本专利技术采取的技术方案为：
3、一种纤维束陶瓷基复合材料高温本构模型计算方法，所述纤维束陶瓷基复合材料高温本构模型计算方法包括以下步骤：
4、s1，对常温c纤维原位单丝的强度分布进行统计，开展不同温度环境下c纤维束拉伸试验，根据不同温度下c纤维束的拉伸强度对常温c纤维原位单丝的强度分布进行等效偏移，获取不同温度环境下的c纤维单丝强度分布；
5、s2，基于界面滑移模型，分别计算正向滑移区、反向滑移区和未脱粘区的纤维和基体应力分布；
6、s3，基于基体临界应变能准则计算基体裂纹间距，得到基体裂纹分布情况；
7、s4，基于不同温度下纤维束陶瓷基复合材料的本构模型材料参数，计算纤维束陶瓷基复合材料的加卸载应力-应变响应曲线，并对重加载段的应力-应变响应曲线进行模量修正；
8、s5，基于损伤钝化理论，计算纤维束陶瓷基复合材料在压缩段的力学响应。
9、进一步地，步骤s1中，对常温c纤维原位单丝的强度分布进行统计的过程包括以下步骤：
10、将每根纤维分成长度均匀的n段微元，纤维上的各个缺陷在各个微元上随机分布，且相互独立互不影响；
11、根据纤维强度对纤维缺陷进行分级，计算出纤维的每个微元上存在第j级缺陷的概率pj；通过程序产生随机数a，0＜a＜1；若a＜pj，则将第j级缺陷赋予微元，微元的强度σδl为所对应缺陷的强度σj。
12、进一步地，步骤s2中，基于界面滑移模型，分别计算正向滑移区、反向滑移区和未脱粘区的纤维和基体应力分布的过程包括以下步骤：
13、由混合率公式计算得到粘结区纤维正应力σf0：
14、
15、式中，ec、ef和em分别表示复合材料、纤维和基体的弹性模量，αc、αf和αm分别表示复合材料、纤维和基体的热膨胀系数，vf和vm分别表示纤维和基体的体积分数，δt是复合材料制备温度与室温的差值，σ为复合材料正应力；
16、每个相连的滑移区边界的纤维保持应力连续时满足的边界条件为：
17、
18、式中，x为距离纤维和基体粘结区中点的长度，l为基体裂纹间距；表示第i个正向滑移区距离，表示第i个反向滑移区距离；σf(x)表示位置x处的纤维正应力；i＝1,2,...,n；
19、将步骤s21中的粘结区纤维正应力σf0和步骤s22中的边界条件代入各分区内纤维应力的分布表达式：
20、
21、式中，τ为正向滑移区的界面剪应力，τr为反向滑移区的界面剪应力，rf为纤维半径，σf为纤维正应力；
22、求得各滑移区的纤维应力分布σf(x)和第n个反向滑移区的距离
23、
24、
25、进一步地，步骤s3中，基于基体临界应变能准则计算基体裂纹间距，得到基体裂纹分布情况的过程包括以下步骤：
26、根据滑移区和粘结区的纤维应力分布，计算出不同截面基体的应力分布σ(x)：
27、
28、式中，σm0为粘结区基体正应力，由混合率公式计算得到：
29、
30、式中，vf和vm分别表示纤维和基体的体积分数，ec、ef和em分别表示复合材料、纤维和基体的弹性模量，αc、αf和αm分别表示复合材料、纤维和基体的热膨胀系数，δt是复合材料制备温度与室温的差值，σ为复合材料正应力；
31、根据不同截面基体的应力分布，得到基体产生裂纹时的应变能um：
32、
33、式中，am为基体截面积，τ为正向滑移区的界面剪应力；d为两基体裂纹间距之间的脱粘区长度的一半；为第1个反向滑移区的距离；基于基体临界应变能准则计算得到基体裂纹间距l。
34、进一步地，步骤s4中，采用多参数weibull分布函数建立与温度相关的修正系数f(t)：
35、
36、式中，a、b、c、m为统计参数，t为试验温度，t0为参考温度；
37、纤维束cmcs的加卸载应力-应变响应的重加载段的模量ec被修正为：e'c＝ec·f(t)。
38、进一步地，步骤s4中，基于损伤钝化理论，将卸载点模量视为压缩模量，直至基体裂纹完全闭合，材料模型恢复至初始模量。
39、与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：
40、第一，本专利技术的纤维束陶瓷基复合材料高温本构模型计算方法，能够精准且高效的计算不同温度环境下纤维束cmcs的力学性能，进而预测各类复杂载荷和环境工况下cmcs结构的力学行为。
41、第二，本本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种纤维束陶瓷基复合材料高温本构模型计算方法，其特征在于，所述纤维束陶瓷基复合材料高温本构模型计算方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的纤维束陶瓷基复合材料高温本构模型计算方法，其特征在于，步骤S1中，对常温C纤维原位单丝的强度分布进行统计的过程包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述的纤维束陶瓷基复合材料高温本构模型计算方法，其特征在于，步骤S2中，基于界面滑移模型，分别计算正向滑移区、反向滑移区和未脱粘区的纤维和基体应力分布的过程包括以下步骤：
4.根据权利要求1所述的纤维束陶瓷基复合材料高温本构模型计算方法，其特征在于，步骤S3中，基于基体临界应变能准则计算基体裂纹间距，得到基体裂纹分布情况的过程包括以下步骤：
5.根据权利要求1所述的纤维束陶瓷基复合材料高温本构模型计算方法，其特征在于，步骤S4中，采用多参数Weibull分布函数建立与温度相关的修正系数f(T)：
6.根据权利要求1所述的纤维束陶瓷基复合材料高温本构模型计算方法，其特征在于，步骤S4中，基于损伤钝化理论，将卸载点模量视为压缩模量，直至基体
...【技术特征摘要】
1.一种纤维束陶瓷基复合材料高温本构模型计算方法，其特征在于，所述纤维束陶瓷基复合材料高温本构模型计算方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的纤维束陶瓷基复合材料高温本构模型计算方法，其特征在于，步骤s1中，对常温c纤维原位单丝的强度分布进行统计的过程包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述的纤维束陶瓷基复合材料高温本构模型计算方法，其特征在于，步骤s2中，基于界面滑移模型，分别计算正向滑移区、反向滑移区和未脱粘区的纤维和基体应力分布的过程包括以下步骤：
4.根据权利要求1...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴涛，郑志康，高希光，孙杰，宋迎东，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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