一种编织陶瓷基复合材料疲劳寿命的预测方法技术

本发明专利技术属于复合材料疲劳寿命预测技术领域，具体涉及一种编织陶瓷基复合材料疲劳寿命的预测方法。本发明专利技术对编织陶瓷基复合材料施加循环载荷，基于编织陶瓷基复合材料的疲劳迟滞耗能，获得编织陶瓷基复合材料的纤维/基体界面剪应力衰退速率方程；同时对不同循环数的载荷作用下的疲劳试样进行断口拔出断裂镜面测试，获得不同循环数的载荷作用下的疲劳作用后，编织陶瓷基复合材料中纤维强度，再以此获得编织陶瓷基复合材料的纤维强度衰退速率方程；然后根据总体载荷承担准则，得到随机载荷影响下的不同循环数纤维断裂体积百分数(即纤维失效概率)，当所述不同循环数纤维断裂体积百分数达到临界值时，视为编织陶瓷基复合材料疲劳断裂。

【技术实现步骤摘要】
一种编织陶瓷基复合材料疲劳寿命的预测方法
本专利技术属于复合材料疲劳寿命预测
，具体涉及一种编织陶瓷基复合材料疲劳寿命的预测方法。
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公司研制的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，美国联邦航空局将陶瓷基复合材料性能评估、损伤演化、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。编织陶瓷基复合材料的疲劳寿命对材料使用的安全性有直接影响，如何准确预测编织陶瓷基复合材料的疲劳寿命，成为研究的关键。
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疲劳寿命的预测方法，本专利技术提供的预测方法，将随机载荷的影响考虑在内，提高了编织陶瓷基复合材料疲劳寿命预测结果的准确性。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疲劳寿命的预测方法，包括以下步骤：(I)基于编织陶瓷基复合材料的疲劳迟滞耗能，确定不同循环数的纤维/基体界面剪应力，获得编织陶瓷基复合材料的纤维/基体界面剪应力衰退速率方程；(II)对不同循环数的载荷作用下的疲劳试样进行断口拔出断裂镜面测试，获得不同循环数的载荷作用下的疲劳作用后编织陶瓷基复合材料中纤维强度；根据不同循环数的载荷作用下的疲劳作用后编织陶瓷基复合材料中纤维强度，获得编织陶瓷基复合材料中纤维强度衰退速率方程；(III)根据总体载荷承担准则，利用所述步骤(I)获得的纤维/基体界面剪应力衰退速率方程和步骤(II)获得的纤维强度衰退速率方程，得到随机载荷影响下的不同循环数纤维断裂体积百分数，当所述不同循环数纤维断裂体积百分数达到临界值时，视为编织陶瓷基复合材料疲劳断裂；所述步骤(I)和步骤(II)没有时间先后顺序。优选的，所述步骤(I)中编织陶瓷基复合材料的纤维/基体界面剪应力衰退速率方程如式1所示：式1中，为纤维/基体界面剪应力；α和β为模型参数；N为循环载荷的循环数；通过式1-1得到；式1-1中，τimin为稳态界面剪应力，τimax为初始界面剪应力。优选的，所述步骤(II)中，纤维强度衰退速率方程如式2所示：φ＝1-η(logN)γ式2；式2中，φ为纤维强度衰退速率；η和γ为模型参数；N为循环载荷的循环数。优选的，所述步骤(III)中，得到编织陶瓷基复合材料在随机载荷作用下的不同循环数纤维断裂体积百分数的方式包括以下步骤：根据总体载荷承担准则，确定完好纤维与断裂纤维承担应力的关系方程；根据纤维失效概率与所述纤维/基体界面剪应力衰退速率、纤维强度衰退速率的关系以及断裂纤维承担应力与所述纤维/基体界面剪应力衰退速率、纤维强度衰退速率的关系，将完好纤维与断裂纤维承担应力的关系方程转变为随机载荷与完好纤维承担应力的关系方程；以所述随机载荷与完好纤维承担应力的关系方程确定随机载荷下完好纤维承担应力，以所得到的随机载荷下完好纤维承担应力结合纤维失效概率方程，得到不同循环数纤维断裂体积百分数。优选的，所述完好纤维与断裂纤维承担应力的关系方程如式3所示：式3中，σmax_s为随机峰值应力，T为完好纤维承担应力，<Tb>为断裂纤维承担应力，P(T)为纤维失效概率，χ为编织陶瓷基复合材料沿加载方向纤维有效体积含量系数，Vf为编织陶瓷基复合材料纤维体积含量。优选的，所述纤维失效概率与所述纤维/基体界面剪应力衰退速率、纤维强度衰退速率的关系如式4所示：式4中，P(T)为纤维失效概率，φ为纤维强度衰退速率，为纤维/基体界面剪应力衰退速率，T为完好纤维承担应力，σc为纤维特征强度，m为纤维威布尔模量。优选的，所述断裂纤维承担应力与所述纤维/基体界面剪应力衰退速率、纤维强度衰退速率的关系如式5所示：式5中，<Tb>为断裂纤维承担应力，P(T)为纤维失效概率，φ为纤维强度衰退速率，为纤维/基体界面剪应力衰退速率，T为完好纤维承担应力，σc为纤维特征强度，m为纤维威布尔模量。优选的，所述随机载荷与完好纤维承担应力的关系方程如式6所示；式6中，φ为纤维强度衰退速率，为纤维/基体界面剪应力衰退速率，T为完好纤维承担应力，σc为纤维特征强度，m为纤维威布尔模量，χ为编织陶瓷基复合材料沿加载方向纤维有效体积含量系数，Vf为编织陶瓷基复合材料纤维体积含量。优选的，所述临界值根据纤维威布尔模量确定，具体由式7所示：式7中，q为临界值，m为纤维威布尔模量。本专利技术基于编织陶瓷基复合材料的疲劳迟滞耗能，确定不同循环数的纤维/基体界面剪应力，以此为基础，获得编织陶瓷基复合材料的纤维/基体界面剪应力衰退速率方程；同时对不同循环数的载荷作用下的疲劳试样进行断口拔出断裂镜面测试，获得不同循环数的载荷作用下的疲劳作用后编织陶瓷基复合材料中纤维强度分布，再以此获得编织陶瓷基复合材料中纤维强度衰退速率方程；然后根据总体载荷承担准则，利用纤维/基体界面剪应力衰退速率方程和纤维强度衰退速率方程，得到随机载荷影响下的不同循环数纤维断裂体积百分数(即纤维失效概率)，当所述不同循环数纤维断裂体积百分数达到临界值时，视为编织陶瓷基复合材料疲劳断裂。本专利技术提供的上述预测方法，将随机载荷的影响考虑在内，使预测所得复合材料的疲劳寿命更加准确。附图说明图1为本专利技术提供的编织陶瓷基复合材料随机载荷坯料寿命预测流程图；图2为实施例1所得纤维失效概率曲线；图3为实施例1所得疲劳寿命曲线。具体实施方式本专利技术提供的编织陶瓷基复合材料疲劳寿命的预测方法中涉及的各项符号、含义及其获取方法汇总于表1中，以下具体实施方式中，除特殊说明外，各个方程或者关系式中的符号含义、获取方法均以表1的内容为准，不再一一赘述。表1编织陶瓷基复合材料的疲劳寿命的预测方法参数说明基于表1的说明，对本专利技术提供的方法进行如下的说明：本专利技术提供了一种编织陶瓷基复合材料疲劳寿命的预测方法，包括以下步骤：(I)基于编织陶瓷基复合材料的疲劳迟滞耗能，确定不同循环数的纤维/基体界面剪应力，获得编织陶瓷基复合材料的纤维/基体界面剪应力衰退速率方程；(II)对不同循环数的载荷作用下的疲劳试样进行断口拔出断裂镜面测试，获得不同循环数的载荷作用下的疲劳作用后编织陶瓷基复合材料中纤维强度；根据不同循环数的载荷作用下的疲劳作用后编织陶瓷基复合材料中纤维强度，获得编织陶瓷基复合材料中纤维强度衰退速率方程；(III)根据总体载荷承担准则，利用所述步骤(I)获得的纤维/基体界面剪应力衰退速率方程和步骤(II)获得的纤维强度衰退速率方程，得到随机载荷影响下的不同循环数纤维断裂体积百分数，当所述不同循环数纤维断裂体积百分数达到临界值时，视为编织陶瓷基复合材料疲劳断裂；所述步骤(I)和步骤(II)没有时间先后顺序。在编织陶瓷基复合材料实际使用过程中，随机载荷会导致编织本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种编织陶瓷基复合材料疲劳寿命的预测方法，包括以下步骤：(I)基于编织陶瓷基复合材料的疲劳迟滞耗能，确定不同循环数的纤维/基体界面剪应力，获得编织陶瓷基复合材料的纤维/基体界面剪应力衰退速率方程；(II)对不同循环数的载荷作用下的疲劳试样进行断口拔出断裂镜面测试，获得不同循环数的载荷作用下的疲劳作用后编织陶瓷基复合材料中纤维强度；根据不同循环数的载荷作用下的疲劳作用后编织陶瓷基复合材料中纤维强度，获得编织陶瓷基复合材料中纤维强度衰退速率方程；(III)根据总体载荷承担准则，利用所述步骤(I)获得的纤维/基体界面剪应力衰退速率方程和步骤(II)获得的纤维强度衰退速率方程，得到随机载荷影响下的不同循环数纤维断裂体积百分数，当所述不同循环数纤维断裂体积百分数达到临界值时，视为编织陶瓷基复合材料疲劳断裂；所述步骤(I)和步骤(II)没有时间先后顺序。

【技术特征摘要】
1.一种编织陶瓷基复合材料疲劳寿命的预测方法，包括以下步骤：(I)基于编织陶瓷基复合材料的疲劳迟滞耗能，确定不同循环数的纤维/基体界面剪应力，获得编织陶瓷基复合材料的纤维/基体界面剪应力衰退速率方程；(II)对不同循环数的载荷作用下的疲劳试样进行断口拔出断裂镜面测试，获得不同循环数的载荷作用下的疲劳作用后编织陶瓷基复合材料中纤维强度；根据不同循环数的载荷作用下的疲劳作用后编织陶瓷基复合材料中纤维强度，获得编织陶瓷基复合材料中纤维强度衰退速率方程；(III)根据总体载荷承担准则，利用所述步骤(I)获得的纤维/基体界面剪应力衰退速率方程和步骤(II)获得的纤维强度衰退速率方程，得到随机载荷影响下的不同循环数纤维断裂体积百分数，当所述不同循环数纤维断裂体积百分数达到临界值时，视为编织陶瓷基复合材料疲劳断裂；所述步骤(I)和步骤(II)没有时间先后顺序。2.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述步骤(I)中编织陶瓷基复合材料的纤维/基体界面剪应力衰退速率方程如式1所示：式1中，为纤维/基体界面剪应力；α和β为模型参数；N为循环载荷的循环数；通过式1-1得到；式1-1中，τimin为稳态界面剪应力，τimax为初始界面剪应力。3.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述步骤(II)中，纤维强度衰退速率方程如式2所示：φ＝1-η(logN)γ式2；式2中，φ为纤维强度衰退速率；η和γ为模型参数；N为循环载荷的循环数。4.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述步骤(III)中，得到编织陶瓷基复合材料在随机载荷作用下的不同循环数纤维断裂体积百分数的方式包括以下步骤：根据总体载荷承担准则，确定完好纤维与断裂纤维承担应力的关系方程；根据纤维失效概率与所述纤维/基体界面剪应力衰退速率、纤维强度衰退速率的关系以及断裂纤维承担应力与所述纤维/基体界面剪应力衰退速率、纤维强度衰退速率的关系，将完好...

【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