一种编织陶瓷基复合材料过载疲劳迟滞回线的预测方法技术

本发明专利技术提供了一种编织陶瓷基复合材料过载疲劳迟滞回线的预测方法，属于复合材料过载疲劳迟滞回线预测方法技术领域。本发明专利技术提供的编织陶瓷基复合材料过载疲劳迟滞回线的预测方法，基于界面滑移机理的编织陶瓷基复合材料过载疲劳迟滞回线预测方法，考虑了过载因素对编织陶瓷基复合材料界面脱粘、界面滑移的影响，并且利用断裂力学方法获得了过载下的界面脱粘长度、卸载界面反向滑移长度和重新加载新界面滑移长度，预测了编织陶瓷基复合材料过载下的迟滞应力应变曲线。本发明专利技术提供的上述预测方法充分考虑了过载因素对疲劳机制因素的影响，预测结果可靠性更高。

A Prediction Method for Overload Fatigue Hysteresis Loop of Braided Ceramic Matrix Composites

The invention provides a prediction method for overload fatigue hysteresis loops of braided ceramic matrix composites, which belongs to the technical field of overload fatigue hysteresis loops prediction method for composites. The method for predicting overload fatigue hysteresis loops of braided ceramic matrix composites provided by the invention considers the influence of overload factors on interfacial debonding and interfacial slip of braided ceramic matrix composites, and obtains interfacial debonding length and unloading under overload by means of fracture mechanics method. The hysteretic stress-strain curves of braided ceramic matrix composites under overload were predicted by the interface reverse slip length and the new interface slip length under reload. The forecasting method provided by the invention fully considers the influence of overload factors on fatigue mechanism factors, and the forecasting result has higher reliability.

【技术实现步骤摘要】
一种编织陶瓷基复合材料过载疲劳迟滞回线的预测方法
本专利技术属于复合材料过载疲劳迟滞回线预测方法
，具体涉及一种编织陶瓷基复合材料过载疲劳迟滞回线的预测方法。
技术介绍
编织陶瓷基复合材料具有耐高温、耐腐蚀、低密度、高比强、高比模等优点，相比高温合金，能够承受更高的温度，减少冷却气流，提高涡轮效率，目前已经应用于航空发动机燃烧室、涡轮导向叶片、涡轮壳环、尾喷管等。由CFM公式研制的LEAP(LeadingEdgeAviationPropulsion，LEAP)系列发动机，高压涡轮采用了编织陶瓷基复合材料部件，LEAP-1B发动机为空客A320和波音737MAX提供动力，LEAP-X1C发动机是我国大型飞机C919选用的唯一动力装置。为了保证编织陶瓷基复合材料在飞机和航空发动机结构中使用的可靠性与安全性，国内外研究人员将陶瓷基复合材料性能评估、演化、强度与寿命预测工具的开发作为陶瓷基复合材料结构部件适航取证的关键。在编织陶瓷基复合材料实际使用过程中，迟滞回线是预测其演化的有效工具之一；迟滞回线是指在疲劳载荷作用下，编织陶瓷基复合材料出现基体多开裂、纤维/基体界面脱粘与滑移等多重损伤机制，使得卸载与重新加载过程中应力应变曲线出现明显的迟滞现象。迟滞回线的形状、位置与面积能够反映编织陶瓷基复合材料内部的损伤演化状况，因而迟滞回线是监测复合材料内部损伤的关键技术手段。如何考虑过载因素对编织陶瓷基复合材料疲劳迟滞回线的影响，准确预测编织陶瓷基复合材料过载疲劳迟滞回线，监测过载对复合材料造成的损伤，是编织陶瓷基复合材料结构实际工程应用需要解决的关键技术问题。专利
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种编织陶瓷基复合材料过载疲劳迟滞回线的预测方法，本专利技术提供的预测方法，考虑了过载因素导致的界面脱粘和界面磨损对纤维/基体界面滑移的影响，将其纳入到预测方法的建立过程中，准确地预测过载对编织陶瓷基复合材料造成的损伤问题，提高了编织陶瓷基复合材料迟滞回线预测的准确性。为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：本专利技术提供了一种编织陶瓷基复合材料过载疲劳迟滞回线的预测方法，包括以下步骤：(1)根据剪滞模型，分别构建在过载疲劳应力作用下、卸载条件下以及重新加载条件下的构建纤维轴向应力分布方程、基体轴向应力分布方程和界面脱粘区摩擦剪应力沿纤维轴向应力分布方程；(2)根据断裂力学脱粘准则，利用所述步骤(1)得到的过载疲劳应力作用下的纤维轴向应力分布方程和基体轴向应力分布方程，建立过载界面脱粘长度方程；根据断裂力学脱粘准则，利用所述步骤(1)得到的卸载条件下纤维轴向应力分布方程和基体轴向应力分布方程以及过载界面脱粘长度方程，建立卸载界面反向滑移长度方程；根据断裂力学脱粘准则，利用所述步骤(1)得到的重新加载条件下纤维轴向应力分布方程和基体轴向应力分布方程以及过载界面脱粘长度方程、过载界面反向滑移长度方程，建立重新加载新界面新滑移长度方程；(3)根据所述步骤(1)得到的过载疲劳应力作用下、卸载条件下以及重新加载条件下的纤维轴向应力分布方程、基体轴向应力分布方程和界面脱粘区剪应力沿纤维轴向应力分布方程以及步骤(2)得到的过载界面脱粘长度方程、卸载界面反向滑移长度方程和重新加载新界面新滑移长度方程，建立编织陶瓷基复合材料重新加载和卸载条件下应力应变关系方程，以此预测编织陶瓷基复合材料过载疲劳迟滞回线。优选的，所述步骤(1)在过载疲劳应力作用下，纤维轴向应力分布方程如式1所示：基体轴向应力分布方程如式2所示：界面脱粘区摩擦剪应力沿纤维轴向应力分布方程如式3所示：式1～3中，σf(x)表示纤维轴向应力，σ表示应力，χ表示沿应力加载方向纤维有效体积含量系数，Vf表示复合材料纤维体积含量，χVf表示沿应力加载方向纤维有效体积，τi表示界面脱粘区摩擦剪应力，rf表示纤维半径，x表示轴向取值，ld为界面脱粘长度，τi_ol为过载界面脱粘区摩擦剪应力，σfo表示界面粘结区纤维轴向应力，σmo表示界面粘结区基体轴向应力，Vm表示基体体积，lc表示基体裂纹间距，ρ表示剪滞模型参数，σm(x)表示基体轴向应力，ld_ol为过载界面脱粘长度，τi(x)表示界面脱粘区摩擦剪应力沿纤维轴向应力。优选的，所述步骤(1)在卸载条件下，纤维轴向应力分布方程如式4所示：基体轴向应力分布方程如式5所示：界面脱粘区摩擦剪应力沿纤维轴向应力分布方程如式6所示：式4～6中，y表示卸载界面反向滑移长度。优选的，所述步骤(1)在重新加载条件下，纤维轴向应力分布方程如式7所示：基体轴向应力分布方程如式8所示：界面脱粘区摩擦剪应力沿纤维轴向应力分布方程如式9所示：式7～9中，z表示重新加载新界面新滑移长度。优选的，所述步骤(2)建立过载界面脱粘长度方程的步骤包括：利用所述步骤(1)得到的过载疲劳应力作用下的纤维轴向应力分布方程，得到过载纤维轴向位移；利用所述步骤(1)得到的过载疲劳应力作用下的基体轴向应力分布方程，得到过载基体轴向位移；根据所述得到的过载纤维轴向位移和过载基体轴向位移得到过载条件下纤维相对基体位移；根据断裂力学脱粘准则，利用所述过载纤维轴向位移和过载条件下纤维相对基体位移，得到过载界面脱粘长度方程。优选的，所述步骤(2)建立卸载界面反向滑移长度方程的步骤包括：利用所述步骤(1)得到的卸载条件下纤维轴向应力分布方程以及过载界面脱粘长度方程，得到卸载纤维轴向位移；利用所述步骤(1)得到的卸载条件下的基体轴向应力分布方程，以及过载界面脱粘长度，得到卸载基体轴向位移；根据所述得到的卸载纤维轴向位移和卸载基体轴向位移得到卸载条件下纤维相对基体位移；根据断裂力学脱粘准则，利用所述卸载纤维轴向位移和卸载条件下纤维相对基体位移，得到卸载界面反向滑移长度方程。优选的，所述步骤(2)建立重新加载新界面新滑移长度方程的步骤包括：利用所述步骤(1)得到的重新加载条件下纤维轴向应力分布方程，过载界面脱粘长度和卸载界面反向滑移长度，得到重新加载纤维轴向位移；利用所述步骤(1)得到的重新加载条件下的基体轴向应力分布方程，过载界面脱粘长度和卸载界面反向滑移长度，得到重新加载基体轴向位移；根据所述得到的重新加载纤维轴向位移和重新加载基体轴向位移得到重新加载条件下纤维相对基体位移；根据断裂力学脱粘准则，利用所述重新加载纤维轴向位移和重新加载条件下纤维相对基体位移，得到重新加载新界面新滑移长度方程。优选的，所述步骤(3)得到的编织陶瓷基复合材料卸载条件下应力应变关系方程如式10所示：式10中，εunload表示卸载应变；σu表示卸载应力；ac表示编织陶瓷基复合材料热膨胀系数；af表示纤维热膨胀系数；△T表示测试温度与制备温度之差；Ef表示纤维弹性模量。优选的，所述步骤(3)得到的编织陶瓷基复合材料重新加载条件下应力应变关系方程如式11所示：式11中，εreload表示卸载应变；σr表示重新加载应力。本专利技术提供的编织陶瓷基复合材料过载疲劳迟滞回线的预测方法，基于界面滑移机理的编织陶瓷基复合材料过载疲劳迟滞回线预测方法，考虑了过载因素对编织陶瓷基复合材料界面脱粘、界面滑移的影响，将剪滞模型和界面滑移机理结合，获取过载、卸载与重新加载条件下的纤维和基体轴向应力分布方程，建立编织陶瓷基复合材料过载疲劳损伤细观应本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种编织陶瓷基复合材料过载疲劳迟滞回线的预测方法，包括以下步骤：(1)根据剪滞模型，分别构建在过载疲劳应力作用下、卸载条件下以及重新加载条件下的纤维轴向应力分布方程、基体轴向应力分布方程和界面脱粘区摩擦剪应力沿纤维轴向应力分布方程；(2)根据断裂力学脱粘准则，利用所述步骤(1)得到的过载疲劳应力作用下的纤维轴向应力分布方程和基体轴向应力分布方程，建立过载界面脱粘长度方程；根据断裂力学脱粘准则，利用所述步骤(1)得到的卸载条件下纤维轴向应力分布方程和基体轴向应力分布方程以及过载界面脱粘长度方程，建立卸载界面反向滑移长度方程；根据断裂力学脱粘准则，利用所述步骤(1)得到的重新加载条件下纤维轴向应力分布方程和基体轴向应力分布方程以及过载界面脱粘长度方程、过载界面反向滑移长度方程，建立重新加载新界面新滑移长度方程；(3)根据所述步骤(1)得到的过载疲劳应力作用下、卸载条件下以及重新加载条件下的纤维轴向应力分布方程、基体轴向应力分布方程和界面脱粘区剪应力沿纤维轴向应力分布方程以及步骤(2)得到的过载界面脱粘长度方程、卸载界面反向滑移长度方程和重新加载新界面新滑移长度方程，建立编织陶瓷基复合材料重新加载和卸载条件下应力应变关系方程，以此预测编织陶瓷基复合材料过载疲劳迟滞回线。...

【技术特征摘要】
1.一种编织陶瓷基复合材料过载疲劳迟滞回线的预测方法，包括以下步骤：(1)根据剪滞模型，分别构建在过载疲劳应力作用下、卸载条件下以及重新加载条件下的纤维轴向应力分布方程、基体轴向应力分布方程和界面脱粘区摩擦剪应力沿纤维轴向应力分布方程；(2)根据断裂力学脱粘准则，利用所述步骤(1)得到的过载疲劳应力作用下的纤维轴向应力分布方程和基体轴向应力分布方程，建立过载界面脱粘长度方程；根据断裂力学脱粘准则，利用所述步骤(1)得到的卸载条件下纤维轴向应力分布方程和基体轴向应力分布方程以及过载界面脱粘长度方程，建立卸载界面反向滑移长度方程；根据断裂力学脱粘准则，利用所述步骤(1)得到的重新加载条件下纤维轴向应力分布方程和基体轴向应力分布方程以及过载界面脱粘长度方程、过载界面反向滑移长度方程，建立重新加载新界面新滑移长度方程；(3)根据所述步骤(1)得到的过载疲劳应力作用下、卸载条件下以及重新加载条件下的纤维轴向应力分布方程、基体轴向应力分布方程和界面脱粘区剪应力沿纤维轴向应力分布方程以及步骤(2)得到的过载界面脱粘长度方程、卸载界面反向滑移长度方程和重新加载新界面新滑移长度方程，建立编织陶瓷基复合材料重新加载和卸载条件下应力应变关系方程，以此预测编织陶瓷基复合材料过载疲劳迟滞回线。2.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述步骤(1)在过载疲劳应力作用下，纤维轴向应力分布方程如式1所示：基体轴向应力分布方程如式2所示：界面脱粘区摩擦剪应力沿纤维轴向应力分布方程如式3所示：式1～3中，σf(x)表示纤维轴向应力，σ表示应力，χ表示沿应力加载方向纤维有效体积含量系数，Vf表示复合材料纤维体积含量，χVf表示沿应力加载方向纤维有效体积，τi表示界面脱粘区摩擦剪应力，rf表示纤维半径，x表示轴向取值，ld为界面脱粘长度，τi_ol为过载界面脱粘区摩擦剪应力，σfo表示界面粘结区纤维轴向应力，σmo表示界面粘结区基体轴向应力，Vm表示基体体积，lc表示基体裂纹间距，ρ表示剪滞模型参数，σm(x)表示基体轴向应力，ld_ol为过载界面脱粘长度，τi(x)表示界面脱粘区摩擦剪应力沿纤维轴向应力。3.根据权利要求2所述的预测方法，其特征在于，所述步骤(1)在卸载条件下，纤维轴向应力分布方程如式4所示：基体轴向应力分布方程如式5所示：界面脱粘区摩擦剪应力沿纤维轴向应力分布方程如式6所示：式4～6中，y表示卸载界面反向滑移长度。4.根据权利要求2或3所述的预测方法，其特征在于，所述步骤(1)在重新加载条件下，纤维轴向应力分布方程如式7所示：...

【专利技术属性】
技术研发人员：李龙彪，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32