编织陶瓷基复合材料力学行为的多尺度分析

发布时间：2020-06-21 01:45

【摘要】：编织陶瓷基复合材料具备耐高温、高比强度、高比模量、对缺口不敏感以及材料性能可设计性强等优点,是下一代航空发动机高温部件的理想材料。多尺度分析方法可以建立编织陶瓷基复合材料宏观性能同其组分材料性能及细观结构之间的定量关系,在工程上能充分发挥材料性能、获得性能最优的结构件,并降低结构设计成本、缩短研发周期,因此是实现编织陶瓷基复合材料工程应用的必备技术。然而目前国内外对编织陶瓷基复合材料力学行为的多尺度预测还不完善,无法采用多尺度方法准确预测材料的非线性本构响应、强度和破坏模式。造成这一现状主要有三个原因:损伤机理复杂且失效模型不完善、组分性能难以获取以及纱线力学行为研究不充分。本文据此背景,提出了一种编织陶瓷基复合材料力学行为的多尺度分析方法,从微观、细观和单胞等多个尺度研究编织陶瓷基复合材料的力学行为和损伤机理。通过多尺度分析建立了材料宏观力学行为与组分性能和细观结构之间的联系,揭示了材料宏观力学行为的形成原因。建立了编织陶瓷基复合材料多种损伤机理的细观力学模型。针对纤维断裂,建立了纤维缺陷分布模型。该模型基于单丝拉伸试验结果,将纤维中的缺陷分级,给出了任意长度纤维上各级缺陷出现的概率,由于纤维单丝强度等于单丝上最弱缺陷的强度,因此得到了纤维强度分布。针对基体开裂,建立了基体单元强度模型。该模型将基体划分为很多个单元,给出了基体单元强度公式。当单元中基体应力大于基体单元强度时,该单元中便产生一个新的裂纹,且新裂纹的位置在该单元中随机均匀分布。利用该模型模拟了拉伸过程中的基体裂纹扩展过程。针对纤维/基体界面反复滑移,建立了适用于任意加卸载历程的界面滑移区分布模型。该模型给出了加卸载过程中界面正、反向滑移区的扩展和消失规律,还给出了界面上有任意多个正、反向滑移区时,各滑移区的长度和应力分布公式。提出了编织陶瓷基复合材料多种组分的原位性能测试方法。针对纤维原位性能,根据编织陶瓷基复合材料制备工艺对纤维进行热处理,热处理后的纤维可视为编织陶瓷基复合材料内部原位纤维。设计了单丝拉伸试验和纤维束拉伸试验,测量了纤维原位强度分布和弹性模量。针对基体裂纹密度和分布,设计了由加载台和显微镜组成的基体裂纹在线观测系统。加载台可对小复合材料试件施加并测量拉伸载荷,同时用显微镜观察基体裂纹分布。采用该方法获得了不同应力水平下的基体裂纹密度和位置。利用小复合材料研究了编织陶瓷基复合材料内部纱线的力学行为并建立其本构模型。采用与编织陶瓷基复合材料相同的工艺制备小复合材料,小复合材料的性能可视为与编织陶瓷基复合材料内部纱线相同。设计了小复合材料力学测试系统,测量了其单向拉伸和循环加卸载应力-应变响应。针对纱线本构响应和强度,提出了考虑失效纤维承载的纱线本构模型。该模型预测的小复合材料应力-应变响应、强度以及断口形貌与试验结果一致。基于对编织陶瓷基复合材料细观结构的观测结果建立材料参数化单胞模型,模型中纱线的本构行为采用纱线本构模型计算得到。通过渐进损伤分析方法,获得了单胞的单向拉伸和循环加卸载应力-应变响应以及拉伸过程中的单胞应力分布。无论是宏观应力-应变响应、强度还是破坏模式,预测结果都与试验结果一致。最后分析了组分性能和细观结构对编织陶瓷基复合材料力学性能的影响,通过改变组分性能和细观结构,获得了具有不同宏观力学性能的编织材料。数值计算结果充分说明了,多尺度分析方法可以建立复合材料宏观力学响应与组分力学性能和细观结构之间的联系,也可以实现复合材料力学性能的可设计性。
【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
【图文】：

纱线结构,编织结构,预制体

纱线构成的骨架称为预制体，预制体结构一般可分为单向、层合和编织等（参见图 1.1）。其中编织结构通过纱线间的交叉连接，使其层间抗剪切性能、抗冲击性能、损伤容限和断裂韧性等优于单向和层合结构。工程上使用的 CMCs 结构件一般为编织结构。

开裂过程,扩展规律,基体裂纹,过程

CMSE理论中基体开裂过程

【参考文献】