偏轴载荷下单向陶瓷基复合材料拉伸行为数值模拟及应用

发布时间：2020-04-11 04:06

【摘要】：陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites,CMCs)具有比强度高,耐高温性能好,密度仅为高温合金的1/3等优点,是未来先进航空发动机重要的热端部件材料,已经在国外军民用航空发动机上得到了初步成功的应用,我国也在积极展开相应的研究工作。在工程应用中,编织陶瓷基复合材料(如2.5维C/Si C陶瓷基复合材料和三维四向C/Si C陶瓷基复合材料等)的应用范围更广。在编织陶瓷基复合材料中,纤维束部分可视为单向陶瓷基复合材料,由于纤维束轴向与加载方向之间存在夹角,使纤维束通常处于偏轴拉伸的载荷状态下;同时,纤维束之间相互交织挤压导致纤维束在相交处还承担横向压缩载荷的作用使纤维束处于更加复杂的应力状态下。为准确揭示编织陶瓷基复合材料的变形与失效行为,需要对单向陶瓷基复合材料在偏轴拉伸载荷以及复杂应力状态下的变形与失效行为展开研究。提出了单向陶瓷基复合材料偏轴拉伸试验件优化设计方法,获得了在不同偏轴角度下的最优试验件尺寸。开展了三种不同材料体系的单向陶瓷基复合材料偏轴拉伸试验,获得了在不同偏轴角度下拉伸应力-应变曲线,并对比分析了其在不同偏轴角度下的失效模式的异同,提出了临界偏轴角的概念。提出了一种测试纤维特征强度和Weibull模量新方法,并测量了T300和T700纤维的特征强度和Weibull模量,开展了纤维剪切试验,测量了T300纤维和T700纤维的剪切强度。开展了2.5维C/Si C陶瓷基复合材料和三维四向C/Si C陶瓷基复合材料拉伸试验,并对断口进行了显微观测分析。建立了陶瓷基复合材料各组分在复杂应力状态下的失效分析方法。在Benjamin Richard提出的脆性材料损伤力学模型的基础上,进一步考虑了脆性材料中裂纹萌生引起的各向异性损伤,并将其与概率失效分析方法相结合,发展了可分析脆性材料在复杂应力状态下变形失效行为的数值计算模型。在界面内聚力模型的基础上发展了用于分析陶瓷基复合材料界面在复杂应力状态下变形失效的数值计算方法,并与ABAQUS自带的内聚力模型进行了对比。结合纤维概率失效模型和断裂力学理论,推导出了纤维初始裂纹随机分布,并进一步推导出纤维轴向拉伸强度在纤维不同位置上的分布,最后,将纤维强度随机分布模型代入Tsai-Wu强度准则,分析纤维在复杂应力状态下的失效行为。建立了纤维随机分布的单向陶瓷基复合材料代表性体积单元(Representive Volume Element,RVE),并将基体、界面和纤维在复杂应力状态下的失效模型带入,模拟单向陶瓷基复合材料在偏轴载荷下的应力-应变曲线,预测结果和试验结果吻合较好。分析了基体开裂应力随偏轴角度的变化规律,讨论了临界偏轴角度的影响因素。建立2.5维C/Si C陶瓷基复合材料和三维四向C/Si C陶瓷基复合材料RVE模型,并进一步建立单向陶瓷基复合材料在复杂应力状态下失效行为的数据库,建立考虑纤维束受力状态的编织陶瓷基复合材料变形失效分析方法,分别用考虑纤维束复杂应力状态下失效和不考虑纤维束复杂应力状态下失效的模型预测了编织陶瓷基复合材料拉伸的应力-应变曲线,经对比发现,当主承力纤维束弯曲程度较大时,考虑纤维束复杂应力状态下失效的模型的预测结果试验结果吻合更好。
【图文】：

陶瓷基复合材料,在航,发动机,航空发动机

预制体上沉积陶瓷基体而制成的非脆性耐高温材料。相对于传统结构材料（如各种钢材、合金、钛合金和高温合金等），陶瓷基复合材料因微观结构复杂，纤维/界面/基体之间相作用，，编织结构形式等因素的影响，对其变形和失效行为的研究尚不充分，尚处于发展阶段发动机设计单位为提高发动机推重比采取了多种措施，主要包括提高发动机涡轮进口度、减轻结构重量以及提高转速[1]等措施。目前推重比 10 一级的第四代航空发动机的发机涡轮进口温度达到了 1800~2000K，而推重比为 15~20 的更先进的航空发动机涡轮进口度将达到 2100-2400K[1]，高温合金和金属间化合物难以满足这样高的温度要求，目前的艺成熟的发动机热端部件材料只能满足推重比 10 一级的第四代航空发动机设计要求，要展更高推重比的先进航空发动机必须开展新型高温材料的设计技术的研究[2]。而陶瓷基复材料具有比强度高、比刚度大、耐高温性能良好，密度仅为高温合金的 1/3~1/4 等优点，此在提高航空发动机的涡轮进口温度、减轻其结构重量和提高其转速等方面具有更加显著优势[3-5]。目前，在国外先进军民用航空发动机领域以及航天领域，陶瓷基复合材料已经到了初步成功的应用，并且展现出良好的应用前景，我国也正在积极开展陶瓷基复合材料航空航天领域应用的探索。图 1. 1 为国外利用陶瓷基复合材料制备的发动机尾喷管调节片涡轮静子导向叶片。图 1. 2 为利用陶瓷基复合材料制备的发动机整体涡轮叶盘。

整体涡轮叶盘,陶瓷基复合材料

图 1. 2 陶瓷基复合材料整体涡轮叶盘[6]早期的陶瓷基复合材料多为单向陶瓷基复合材料或按照一定角度铺放的层合板，这种材料是以单向复合材料为基础，采用不同角度铺设而成的层合结构，其最大缺陷在于：厚度方向强度和刚度较低、面内剪切和层间剪切强度低、易分层、冲击韧性和损伤容限水平低[7]。鉴于单向陶瓷基复合材料及其层合板的以上缺点，在工程应用中通常采用编织陶瓷基复合材料[8]。编织陶瓷基复合材料具有细观结构可设计的优点，为其宏观力学性能优化提供了较为广阔的余地，与单向陶瓷基复合材料相比，编织陶瓷基复合材料在改进层间连接强度、提高层内剪切强度、提高损伤容限和改善热应力失配等方面具有巨大潜力[9]。编织陶瓷基复合材料的力学性能除取决于纤维束本身的力学性能外还与其编织结构有关。在研究中，通常将编织陶瓷基复合材料中的纤维束视为单向陶瓷基复合材料[8]。在编织陶瓷基复合材料内部，纤维束主方向与复合材料主方向之间存在一定夹角，使编织陶瓷基复合材料在受到拉伸载荷时，因纤维束主方向与载荷方向存在一定夹角而导致编织复合材料内部纤维束承受偏轴拉伸载荷，同时纤维束纱线间的相互挤压与摩擦使纤维束处于比较复杂的应力状态。目前大部分文献在研究编织陶瓷基复合材料力学性能时都将内部纤维束简化为单向复合材料在轴向载荷下的分析模型[3, 10-15]，对于纤维束承受偏轴载荷的问题只是在单向复
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V25

【参考文献】