一种金属基复合材料拉压疲劳迟滞回线预测方法技术

本发明专利技术公开了一种金属基复合材料拉压疲劳迟滞回线预测方法，具体为：根据BHE剪滞模型确定单向碳化硅纤维增强钛基复合材料脱粘段和未脱粘段的纤维、基体、剪应力分布；确定脱粘区长度、界面初始脱粘应力与界面完全脱粘应力；确定反向滑移区长度以及反向滑移临界应力；确定复合材料拉伸加、卸载阶段的应力应变关系；确定复合材料压缩加、卸载阶段的应力应变关系；确定裂纹间距、界面剪应力随循环数的变化规律；确定给定循环数的纤维断裂分数；给定循环数N，结合以上步骤，得到复合材料随循环数变化的疲劳迟滞回线。本发明专利技术可以准确的预测出复合材料在不同基体裂纹间距、不同滑动界面剪应力、不同纤维断裂体积分数下以及不同循环数下的应力应变关系。

A Hysteresis Loop Prediction Method for Metal Matrix Composites under Tension and Compression Fatigue

【技术实现步骤摘要】
一种金属基复合材料拉压疲劳迟滞回线预测方法
本专利技术涉及一种金属基复合材料拉压疲劳迟滞回线预测方法，具体涉及一种单向碳化硅纤维增强钛基复合材料拉压疲劳迟滞回线预测方法。
技术介绍
碳化硅纤维增强钛基复合材料的高比强度、高比刚度、耐高温、结构稳定性等优异性能，使其成为航空航天领域不可替代的新型结构材料之一，广泛应用于航空发动机转子部件、叶片、整体叶环等结构，对于减轻航空发动机的重量，提高发动机推重比具有重大的意义。在服役条件下，碳化硅纤维增强钛合金基复合材料需要承受各种复杂的载荷，其中包括拉伸-压缩疲劳载荷。当碳化硅纤维增强钛合金基复合材料承受中等幅值拉-压疲劳载荷时，随着疲劳过程的进行，会产生基体开裂、界面脱粘及磨损、纤维断裂等不同形式的损伤，其应力应变响应会出现疲劳迟滞回线，即疲劳迟滞环。迟滞环的大小、位置、斜率分别体现着材料的迟滞耗散能、残余应变与割线模量。随着疲劳循环数的累积，上述参数也会出现相应地变化，这些变化最终会导致复合材料的失效。因此，快速有效的预测出单向碳化硅纤维增强钛合金基复合材料的疲劳迟滞回线，能够为材料服役过程中的寿命预测、维修检测提供重要的理论依据，并为材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属基复合材料拉压疲劳迟滞回线预测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，根据BHE剪滞模型确定单向碳化硅纤维增强钛基复合材料脱粘区纤维和基体的轴向应力，粘结区纤维和基体的轴向应力以及粘结区剪应力；步骤2，采用能量法确定单向碳化硅纤维增强钛基复合材料的脱粘区长度，并由脱粘区长度求得界面初始脱粘应力和界面完全脱粘应力；步骤3，采用能量法确定单向碳化硅纤维增强钛基复合材料的反向滑移区长度，并由反向滑移区长度求得反向滑移临界应力；步骤4，根据步骤1的纤维轴向应力和步骤2的脱粘区长度，确定单向碳化硅纤维增强钛基复合材料拉伸加载阶段的应力应变关系；步骤5，确定单向碳化硅纤维增强钛基复合材料拉伸卸...

【技术特征摘要】
1.一种金属基复合材料拉压疲劳迟滞回线预测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，根据BHE剪滞模型确定单向碳化硅纤维增强钛基复合材料脱粘区纤维和基体的轴向应力，粘结区纤维和基体的轴向应力以及粘结区剪应力；步骤2，采用能量法确定单向碳化硅纤维增强钛基复合材料的脱粘区长度，并由脱粘区长度求得界面初始脱粘应力和界面完全脱粘应力；步骤3，采用能量法确定单向碳化硅纤维增强钛基复合材料的反向滑移区长度，并由反向滑移区长度求得反向滑移临界应力；步骤4，根据步骤1的纤维轴向应力和步骤2的脱粘区长度，确定单向碳化硅纤维增强钛基复合材料拉伸加载阶段的应力应变关系；步骤5，确定单向碳化硅纤维增强钛基复合材料拉伸卸载阶段的应力应变关系；步骤6，将裂纹闭合过程和裂纹闭合到成为完好复合材料过程合为一个过程，并且设定：a.在反向从0加载到成为完好复合材料过程中的应力应变曲线为线性关系；b.刚成为完好复合材料时的应力σg等于复合材料按拉伸卸载的应力应变曲线卸载到ε0时的应力，ε0为复合材料拉伸加载时应力为0时的应变；确定单向碳化硅纤维增强钛基复合材料压缩加载和压缩卸载阶段的应力应变关系；步骤7，确定复合材料基体裂纹间距随循环数的变化规律；步骤8，根据界面剪应力的退化公式描述界面剪应力随循环数的变化规律；步骤9，确定给定循环数的纤维断裂分数；步骤10，通过给定循环数，结合步骤7、8、9，即可得到对应循环数下的基体裂纹间距、界面剪应力、纤维断裂分数，结合步骤2和3得到的参数，再代入步骤4、5、6，即可得到单向碳化硅纤维增强钛基复合材料随循环数变化的疲劳迟滞回线。2.根据权利要求1所述金属基复合材料拉压疲劳迟滞回线预测方法，其特征在于，所述步骤1中脱粘区纤维和基体的轴向应力为：粘结区纤维和基体的轴向应力为：粘结区剪应力为：式中，σf0、σm0、ρ由下式求得：其中，x为坐标，脱粘区x的取值范围为0<x<Ld，粘结区x的取值范围为Ld<x<L/2，Ld为脱粘区长度，L为特征体元长度，σf(x)为坐标x处的纤维轴向应力，σm(x)为坐标x处的基体轴向应力，τi(x)为坐标x处的剪应力，σ为外部应力载荷，Vf为纤维体积分数，Vm为基体体积分数，rf为纤维半径，τi为脱粘区恒定界面剪应力，Ef为纤维弹性模量，Em为基体弹性模量，E1为复合材料轴向弹性模量，α1为复合材料热膨胀系数，αm为基体热膨胀系数，αf为纤维热膨胀系数，ΔT为温度差，Gm为基体剪切模量，R为基体半径。3.根据权利要求1所述金属基复合材料拉压疲劳迟滞回线预测方法，其特征在于，所述步骤2中脱粘区长度为：界面初始脱粘应力为：界面完全脱粘应力为：其中，Ld为脱粘区长度，σ1为界面初始脱粘应力，σ2为界面完全脱粘应力，rf为纤维半径，Vf为纤维体积分数，Vm为基体体积分数，Ef为纤维弹性模量，Em为基体弹性模量，E1为复合材料轴向弹性模量，σ为外部应力载荷，τi为脱粘区恒定界面剪应力，ρ为中间参数，ξd为界面脱粘能，L为特征体元长度。4.根据权利要求1所述金属基复合材料拉压疲劳迟滞回线预测方法，其特征在于，所述步骤3中反向滑移区长度为：当反向滑移区长度等于脱粘区长度时，反向滑移临界应力为：当完全脱粘，...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙志刚，张帆，陈西辉，牛序铭，许聪，宋迎东，
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