【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及航空发动机机匣，具体涉及一种服役环境下复合材料机匣包容性宏-微观损伤分析方法。
技术介绍
1、传统的飞机发动机金属机匣通过加厚来增强机匣的包容能力，由于考虑机匣重量和飞行成本，越来越多的飞机发动机上开始使用碳纤维复合材料的机匣。碳纤维复合材料具有高比强度、高比模量、低比重、耐疲劳性强、可设计性和抗冲击性强的特性，碳纤维复合材料机匣的抗冲击能力优于部分金属机匣，碳纤维增强基复合材料机匣可以避免腐蚀，增长机匣的使用寿命，同时复合材料的低重量还会增加发动机效率。
2、航空发动机在服役期间长期受到复杂环境因素的作用，比如地面停放、飞行、降落等不同的干湿状态循环以及沿海地方飞行时的高温、高湿和盐雾等不同环境因素，服役环境下复合材料的损伤机理主要包括有：基体吸湿、高低温交变以及盐雾腐蚀作用下发生变形导致缺陷的发生和性能的下降；基体与增强纤维的热膨胀系数不一致，纤维不吸湿，而基体吸湿能力高，因此，纤维与基体之间的变形差会在界面上产生应力，从而在纤维/基体界面造成损伤甚至脱粘。研究表明，基体和界面受复杂环境产生的损伤与破坏对复合材料的性能有显著影响；服役环境下的复合材料机匣同时还要面临叶片丢失和非包容碎片等冲击载荷的威胁，导致机匣的包容性预测和损伤机理分析相当复杂。因此，需发展新型的机匣的包容性预测方法和损伤机理分析方法。
技术实现思路
1、专利技术目的：为解决上述问题，本专利技术提供了一种服役环境下复合材料机匣包容性宏-微观损伤分析方法，解决了在发动机服役过程中各种环境
2、技术方案：为实现上述目的，本专利技术所述的服役环境下复合材料机匣包容性宏-微观损伤分析方法，包括以下步骤：
3、s1根据实际服役环境特点建立对应的环境试验箱，设计基体力学性能试验件和界面力学性能试验件，并利用环境试验箱开展对应的环境试验；在环境试验后，进行相应的基体力学试验和界面力学试验，得到环境试验前后的基体和界面材料参数；
4、s2建立碳纤维增强基复合材料代表性体积单元有限元模型，根据s1环境试验后的复合材料基体材料参数结合本构模型，表征环境试验后的复合材料基体力学行为；再根据s1环境试验后的复合材料纤维基体界面材料参数，并通过双线性内聚力本构模型来表征复合材料纤维/基体界面力学行为，通过横观各向同性线弹性本构模型表征复合材料纤维力学行为；
5、s3通过干态横向拉伸试验得到复合材料横向材料参数，再将干态基体材料参数和界面材料参数带入建立的代表性体积单元有限元模型表征复合材料力学行为；进行对应试验工况的有限元分析结果与试验对应的复合材料横向材料参数对比，再计算服役环境下复合材料材料参数；
6、s4建立复合材料包容机匣有限元模型，以广义三维hashin准则判定复合材料的面内损伤起始，根据matzenmiller损伤演化方程进行材料刚度的渐进式折减；采用双线性内聚力本构关系描述复合材料的层间界面损伤，并根据s3计算得到的复合材料材料参数进行复合材料机匣的包容性仿真；经过有限元模型计算得到环境试验后复合材料机匣的包容能力、损伤形貌和损伤机理。
7、进一步的，s1中所述实际服役环境特点包括高温高湿地区的湿热环境和海边地区的高盐湿气环境等。
8、进一步的，s1中所述环境试验箱包括水浴、湿气、盐雾等环境试验箱。
9、进一步的，s2中所述碳纤维增强基复合材料代表性体积单元有限元模型包括基体、纤维、纤维/基体界面三个组分。
10、进一步的，s2中所述基体本构模型包括线弹性-损伤本构模型、弹塑性-损伤本构模型、朱-王-唐非线性粘弹性本构模型。
11、进一步的，所述弹塑性-损伤本构模型包括von-mises本构模型、mohr-coulomb本构模型、drucker-prager本构模型。
12、进一步的，s3中所述干态横向拉伸试验结果是通过开展干态下复合材料单向板的90°横向拉伸试验得到的。
13、进一步的，s3中所述代表性体积单元模型计算材料参数的步骤为对代表性体积单元模型施加周期性边界条件，在各个方向上分别对模型施加位移载荷，直至模型失效，获得相应方向的应力应变曲线，并提取出对应方向的模量e与强度s。
14、进一步的，s3中所述复合材料材料参数包括坐标轴为基准的z方向的弹性模量e1和强度值xt、xc，x方向的弹性模量e2和强度值yt，y方向的弹性模量e3和强度值sfc，zx方向的剪切模量g12和强度值s12，zy方向的剪切模量g13和强度值sfs，xy方向的剪切模量g23和强度值s23。
15、进一步的，s4中所述环境试验后复合材料包容机匣冲击后层内损伤形貌包括纤维拉伸失效、基体拉伸失效、纤维压溃失效、面内剪切失效。
16、有益效果：本专利技术较于现有技术，具有如下显著效果：通过建立复合材料机匣抗冲击有限元模型计算复合材料机匣的包容能力、损伤形貌和损伤机理；采用广义三维hashin准则判定复合材料在冲击过程中的面内损伤起始；利用基于能量的双线性内聚力本构关系描述复合材料的层间分层损伤。
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1.一种服役环境下复合材料机匣包容性宏-微观损伤分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的服役环境下复合材料机匣包容性宏-微观损伤分析方法，其特征在于，S1中所述实际服役环境特点包括高温高湿地区的湿热环境和海边地区的高盐湿气环境等。
3.根据权利要求1所述的服役环境下复合材料机匣包容性宏-微观损伤分析方法，其特征在于，S1中所述环境试验箱包括水浴、湿气、盐雾等环境试验箱。
4.根据权利要求1所述的服役环境下复合材料机匣包容性宏-微观损伤分析方法，其特征在于，S2中所述碳纤维增强基复合材料代表性体积单元有限元模型包括基体、纤维、纤维/基体界面三个组分。
5.根据权利要求1所述的服役环境下复合材料机匣包容性宏-微观损伤分析方法，其特征在于，S2中所述基体本构模型包括线弹性-损伤本构模型、弹塑性-损伤本构模型、朱-王-唐非线性粘弹性本构模型。
6.根据权利要求1所述的服役环境下复合材料机匣包容性宏-微观损伤分析方法，其特征在于，所述弹塑性-损伤本构模型包括Von-Mises本构模型、Mohr-Coulomb
7.根据权利要求1所述的服役环境下复合材料机匣包容性宏-微观损伤分析方法，其特征在于，S3中所述干态横向拉伸试验结果是通过开展干态下复合材料单向板的90°横向拉伸试验得到的。
8.根据权利要求1所述的服役环境下复合材料机匣包容性宏-微观损伤分析方法，其特征在于，S3中所述代表性体积单元模型计算材料参数的步骤为对代表性体积单元模型施加周期性边界条件，在各个方向上分别对模型施加位移载荷，直至模型失效，获得相应方向的应力应变曲线，并提取出对应方向的模量E与强度S。
9.根据权利要求1所述的服役环境下复合材料机匣包容性宏-微观损伤分析方法，其特征在于，S3中所述复合材料材料参数包括坐标轴为基准的Z方向的弹性模量E1和强度值XT、XC，X方向的弹性模量E2和强度值YT，Y方向的弹性模量E3和强度值SFC，ZX方向的剪切模量G12和强度值S12，ZY方向的剪切模量G13和强度值SFS，XY方向的剪切模量G23和强度值S23。
10.根据权利要求1所述的服役环境下复合材料机匣包容性宏-微观损伤分析方法，其特征在于，S4中所述环境试验后复合材料包容机匣冲击后层内损伤形貌包括纤维拉伸失效、基体拉伸失效、纤维压溃失效、面内剪切失效。
...【技术特征摘要】
1.一种服役环境下复合材料机匣包容性宏-微观损伤分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的服役环境下复合材料机匣包容性宏-微观损伤分析方法，其特征在于，s1中所述实际服役环境特点包括高温高湿地区的湿热环境和海边地区的高盐湿气环境等。
3.根据权利要求1所述的服役环境下复合材料机匣包容性宏-微观损伤分析方法，其特征在于，s1中所述环境试验箱包括水浴、湿气、盐雾等环境试验箱。
4.根据权利要求1所述的服役环境下复合材料机匣包容性宏-微观损伤分析方法，其特征在于，s2中所述碳纤维增强基复合材料代表性体积单元有限元模型包括基体、纤维、纤维/基体界面三个组分。
5.根据权利要求1所述的服役环境下复合材料机匣包容性宏-微观损伤分析方法，其特征在于，s2中所述基体本构模型包括线弹性-损伤本构模型、弹塑性-损伤本构模型、朱-王-唐非线性粘弹性本构模型。
6.根据权利要求1所述的服役环境下复合材料机匣包容性宏-微观损伤分析方法，其特征在于，所述弹塑性-损伤本构模型包括von-mises本构模型、mohr-coulomb本构模型、drucker-prager本构模型。
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【专利技术属性】
技术研发人员：伊文昭，刘璐璐，朱信颖，金峰，罗刚，赵振华，
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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