一种编织陶瓷基复合材料高温静疲劳损伤演化预测方法技术

本发明专利技术涉及编织陶瓷基复合材料损伤演化预测技术领域，提供了一种编织陶瓷基复合材料高温静疲劳损伤演化预测方法，本发明专利技术首先建立高温静疲劳载荷作用下复合材料内部纤维轴向应力分布方程；然后基于断裂力学界面脱粘准则建立复合材料高温静疲劳界面脱粘长度方程和滑移长度方程，最终建立高温静疲劳载荷下编织陶瓷基复合材料迟滞本构关系方程，采用迟滞耗散能预测编织陶瓷基复合材料的高温静疲劳损伤演化。本发明专利技术提供的预测方法综合考虑了高温静疲劳对编织陶瓷基复合材料界面脱粘、界面氧化、界面滑移的影响，能够准确预测编织陶瓷基复合材料高温静疲劳损伤演化曲线。

【技术实现步骤摘要】
一种编织陶瓷基复合材料高温静疲劳损伤演化预测方法
本专利技术涉及编织陶瓷基复合材料损伤演化预测
，尤其涉及一种编织陶瓷基复合材料高温静疲劳损伤演化预测方法。
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。在高温静疲劳载荷作用下，编织陶瓷基复合材料出现基体多开裂、纤维/基体界面脱粘、氧化与滑移等多重损伤机制，影响陶瓷基复合材料高温环境下的可靠性与安全性。目前针对编织陶瓷基复合材料高温静疲劳损伤领域的研究较少，如何考虑高温静疲劳对编织陶瓷基复合材料内部损伤的影响，监测高温载荷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。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种编织陶瓷基复合材料高温静疲劳损伤演化预测方法，本专利技术提供的方法综合考虑了高温静疲劳对编织陶瓷基复合材料界面脱粘、界面氧化、界面滑移的影响，能够准确预测编织陶瓷基复合材料的高温静疲劳损伤演化情况。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：一种编织陶瓷基复合材料高温静疲劳损伤演化预测方法，包括以下步骤：(1)确定沿加载方向编织陶瓷基复合材料纤维体积含量，采用剪滞模型分析陶瓷基复合材料高温静疲劳损伤细观应力场，根据编织陶瓷基复合材料高温静疲劳损伤细观应力场，建立高温静疲劳载荷作用下，编织陶瓷基复合材料内部纤维轴向应力分布方程；(2)基于断裂力学界面脱粘准则，建立编织陶瓷基复合材料高温静疲劳界面脱粘长度方程和界面滑移长度方程；(3)利用步骤(1)得到的高温静疲劳损伤纤维轴向应力分布方程和步骤(2)得到的高温静疲劳界面脱粘长度方程和滑移长度方程，建立高温静疲劳载荷下编织陶瓷基复合材料迟滞本构关系方程，采用迟滞耗散能预测编织陶瓷基复合材料的高温静疲劳损伤演化。优选的，根据所述步骤(1)中编织陶瓷基复合材料沿应力加载方向纤维体积含量得到沿应力加载方向纤维有效体积含量系数，所述沿应力加载方向纤维有效体积含量系数根据式1计算得到：式1中：χ为编织陶瓷基复合材料沿应力加载方向纤维有效体积含量系数，Vfl为编织陶瓷基复合材料沿应力加载方向纤维体积含量，Vf为编织陶瓷基复合材料纤维体积含量。优选的，所述高温静疲劳载荷作用下，编织陶瓷基复合材料内部纤维轴向应力分布方程如式2所示：式2中：σf(x)表示纤维轴向应力，σ为外应力，rf为纤维半径，ξ为界面氧化长度，τf为界面氧化区剪应力，τi为界面滑移区剪应力，ld为界面脱粘长度，lc为基体裂纹间距，ρ为剪滞模型参数，σfo为纤维在界面粘结区应力，σmo基体在界面粘结区应力，Vm为基体体积含量，Vfl为编织陶瓷基复合材料沿应力加载方向纤维体积含量，x为沿纤维轴向坐标。优选的，所述纤维在界面粘结区应力根据式2-1计算得到，所述基体在界面粘结区应力根据式2-2计算得到：式2-1和式2-2中：Ef为纤维弹性模量，Em为基体弹性模量，Ec为复合材料弹性模量，αf为纤维热膨胀系数，αm为基体热膨胀系数，αc为复合材料热膨胀系数，ΔT为试验温度与制备温度的温度差。优选的，所述步骤(2)中编织陶瓷基复合材料高温静疲劳界面脱粘长度方程如式3所示：式3中：ζd为界面脱粘能。优选的，所述步骤(2)中编织陶瓷基复合材料高温静疲劳界面滑移长度方程包括卸载界面反向滑移长度方程和重新加载界面新滑移长度方程；所述卸载界面反向滑移长度方程如式4所示：所述重新加载界面新滑移长度方程如式5所示：式4～式5中：y表示卸载界面反向滑移长度，z表示重新加载界面新滑移长度，σmax表示峰值应力。优选的，所述步骤(3)中高温静疲劳载荷下编织陶瓷基复合材料迟滞本构关系方程如式6所示：式6中：W为迟滞耗散能，σmin表示谷值应力，εun表示卸载应变，εre表示重新加载应变，εun按照式6-1计算，εre按照式6-2计算；本专利技术提供了一种编织陶瓷基复合材料高温静疲劳损伤演化预测方法，本专利技术提供的预测方法综合考虑了高温静疲劳对编织陶瓷基复合材料界面脱粘、界面氧化、界面滑移的影响，采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界面新滑移长度，能够准确预测编织陶瓷基复合材料高温静疲劳损伤演化曲线。附图说明图1为剪滞单胞模型；图2为实施例1得到的预测结果，其中(a)为复合材料的高温静疲迟滞回线，(b)为复合材料的高温静疲劳损伤演化曲线。具体实施方式本专利技术所述编织陶瓷基复合材料高温静疲劳损伤演化预测方法中包括多项参数，为清楚理解本专利技术，先对本专利技术预测方法中涉及的参数、参数符号及参数含义进行解释说明，如表1所示。表1编织陶瓷基复合材料高温静疲劳损伤演化预测方法参数说明注：复合材料表示编织陶瓷基复合材料，纤维表示编织陶瓷基复合材料中的纤维，基体表示编织陶瓷复合材料中的基体，界面均为纤维/基体界面。为进一步清楚描述本专利技术所述的编织陶瓷基复合材料高温静疲劳损伤演化预测方法，本专利技术提供编织陶瓷基复合材料损伤区域的剪滞单胞模型图(图1所示)，以对本专利技术部分参数的含义做进一步说明。如图1所示，编织陶瓷基复合材料包括纤维和基体，在应力(σ)的作用下，编织陶瓷基复合材料受损区域的纤维和基体会产生相对移动，形成了界面氧化区和滑移区，纤维与基体之间相对移动产生的摩擦力为界面氧化区摩擦剪应力(τf)和界面滑移区摩擦剪应力(τi)；纤维与基体纤维/基体界面由于脱粘而产生脱粘长度(ld)；编织陶瓷基复合材料在卸载应力作用下和重新加载应力作用下，纤维相对基体会产生移动，形成卸载纤维/基体界面反向滑移长度(y)和重新加载纤维/基体界面新滑移长度(z)。基于表1和图1的说明，对本专利技术提供的编织陶瓷基复合材料高温静疲劳损伤演化预测方法的具体实施过程进行如下的说明：本专利技术提供了一种编织陶瓷基复合材料高温静疲劳损伤演化预测方法，包括以下步骤：(1)确定沿加载方向编织陶瓷基复合材料纤维体积含量，采用剪滞模型分析陶瓷基复合材料高温静疲劳损伤细观应力场，根据编织陶瓷基复合材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种编织陶瓷基复合材料高温静疲劳损伤演化预测方法，包括以下步骤：/n(1)确定沿应力加载方向编织陶瓷基复合材料纤维体积含量，采用剪滞模型分析陶瓷基复合材料高温静疲劳损伤细观应力场，根据编织陶瓷基复合材料高温静疲劳损伤细观应力场，建立高温静疲劳载荷作用下，编织陶瓷基复合材料内部纤维轴向应力分布方程；/n(2)基于断裂力学界面脱粘准则，建立编织陶瓷基复合材料高温静疲劳界面脱粘长度方程和界面滑移长度方程；/n(3)利用步骤(1)得到的高温静疲劳损伤纤维轴向应力分布方程和步骤(2)得到的高温静疲劳界面脱粘长度方程和滑移长度方程，建立高温静疲劳载荷下编织陶瓷基复合材料迟滞本构关系方程，采用迟滞耗散能预测编织陶瓷基复合材料的高温静疲劳损伤演化。/n

【技术特征摘要】
1.一种编织陶瓷基复合材料高温静疲劳损伤演化预测方法，包括以下步骤：
(1)确定沿应力加载方向编织陶瓷基复合材料纤维体积含量，采用剪滞模型分析陶瓷基复合材料高温静疲劳损伤细观应力场，根据编织陶瓷基复合材料高温静疲劳损伤细观应力场，建立高温静疲劳载荷作用下，编织陶瓷基复合材料内部纤维轴向应力分布方程；
(2)基于断裂力学界面脱粘准则，建立编织陶瓷基复合材料高温静疲劳界面脱粘长度方程和界面滑移长度方程；
(3)利用步骤(1)得到的高温静疲劳损伤纤维轴向应力分布方程和步骤(2)得到的高温静疲劳界面脱粘长度方程和滑移长度方程，建立高温静疲劳载荷下编织陶瓷基复合材料迟滞本构关系方程，采用迟滞耗散能预测编织陶瓷基复合材料的高温静疲劳损伤演化。


2.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，根据所述步骤(1)中编织陶瓷基复合材料沿应力加载方向纤维体积含量得到沿应力加载方向纤维有效体积含量系数，所述沿应力加载方向纤维有效体积含量系数根据式1计算得到：



式1中：χ为编织陶瓷基复合材料沿应力加载方向纤维有效体积含量系数，Vfl为编织陶瓷基复合材料沿应力加载方向纤维体积含量，Vf为编织陶瓷基复合材料纤维体积含量。


3.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述高温静疲劳载荷作用下，编织陶瓷基复合材料内部纤维轴向应力分布方程如式2所示：




式2中：σf(x)表示纤维轴向应力，σ为外应力，rf为纤维半径，ξ为界面氧化长度，τf为界面氧化区剪应力，τi为界面滑移区剪应力，ld为界面脱粘长度，lc为基体裂纹间距，ρ为剪滞模型参数，σfo为纤维在界面粘结区应力，σmo基体在界面...

【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