多层界面相对陶瓷基复合材料横向开裂的影响模拟

发布时间：2021-09-01 07:30

　　针对多层界面相对陶瓷基复合材料（CMCs）横向开裂行为的影响进行了细观有限元模拟。在代表体单元模型中,按照界面相各亚层的实际厚度建立多层界面相几何模型,然后赋予各亚层对应的组分材料参数,建立细观有限元模型。在此基础上,分别采用扩展有限单元法（XFEM）和内聚力界面模型来模拟CMCs中的开裂裂纹和脱粘裂纹,实现复合材料横向开裂过程的模拟。对单层BN界面相和（BN/Si C/BN）、（BN/Si C/BN/Si C/BN）两种多层界面相的模拟结果进行了对比。可以看出,所研究的Si C/Si C复合材料在横向载荷作用下,首先在纤维与界面相之间产生脱粘裂纹,脱粘裂纹扩展后引起外侧基体开裂,最终引起复合材料横向失效;与单层界面相相比,多层界面相将引起不同形态的脱粘裂纹,其横向开裂应变高于单层界面相,开裂位置也存在显著差异。 

【文章来源】：机械强度. 2020,42(05)北大核心CSCD

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

多层界面CMCs的RVE模型

上述两种裂纹具有不同的扩展机制，这里采用两种不同的方法进行模拟。对于组分之间的界面脱粘裂纹，采用内聚力界面模型进行模拟，其损伤通过图2所示的双线性本构模型(Bilinear traction-separation law)描述;对于组分内部的开裂裂纹，其扩展路径不能预先给定，采用XFEM进行模拟。裂纹模拟所需相关参数见表1。细观有限元建模和分析的平台为Abaqus。采用Python建立参数化的RVE模型并施加周期性边界条件。图3给出了一个包含三层界面相的复合材料RVE的细观有限元模型。在界面相与基体、纤维之间，以及界面相三个亚层之间的界面处都定义了内聚力接触面;在各组分内部均定义了XFEM裂纹萌生和扩展区域。

由图3中局部放大图可以看出，为了更精确地分析界面相内部应力应变状态，多层界面区域进行了网格加密。此外，根据XFEM的特点，在界面相和基体区域均采用规整的四边形网格进行离散化。2 结果与分析

【参考文献】：
期刊论文
[1]多层界面相陶瓷基复合材料裂纹偏转机制模拟[J]. 方光武,高希光,宋迎东.  航空动力学报. 2019(08)
[2]SiC单纤维增强TC17复合材料横向拉伸性能研究[J]. 刘佳琳,王玉敏,张国兴,张旭,杨丽娜,杨青,杨锐.  金属学报. 2018(12)
[3]不规则孔隙对复合材料横向拉伸力学性能的影响[J]. 李波,赵美英,万小朋.  复合材料学报. 2019(02)
[4]陶瓷基复合材料多层界面相应力传递的有限元模拟[J]. 方光武,高希光,宋迎东.  复合材料学报. 2018(12)
[5]二维编织SiC/SiC复合材料的剪切性能[J]. 李潘,王波,甄文强,矫桂琼.  机械强度. 2014(05)
[6]单向纤维增强陶瓷基复合材料界面滑移规律[J]. 方光武,高希光,宋迎东.  复合材料学报. 2013(04)
[7]平纹编织C/SiC复合材料层间断裂行为试验研究[J]. 陈刘定,童小燕,程起有,姚磊江.  机械强度. 2012(01)
[8]连续纤维增韧陶瓷基复合材料可持续发展战略探讨[J]. 张立同,成来飞.  复合材料学报. 2007(02)
[9]SiC纤维增强复合材料基体裂纹偏移机理的有限元分析[J]. 刘鹏飞,王双连,陶伟明,郭乙木.  复合材料学报. 2006(03)

博士论文
[1]多层界面制备、表征及其对SiCf/SiC复合材料性能的影响[D]. 于海蛟.国防科学技术大学 2011



本文编号：3376547