一种编织陶瓷基复合材料拉压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拉压疲劳迟滞回线的预测方法，属于复合材料疲劳迟滞回线预测技术领域。本发明专利技术首先将拉压过程的卸载阶段以及重新加载阶段分别划分为三个阶段，确定基体裂纹闭合应力以及完全压缩应力，分析编织陶瓷基复合材料在上述三个阶段的损伤细观应力场，根据断裂力学界面脱粘准则建立界面脱粘长度方程、界面反向滑移长度方程、界面压缩滑移长度方程以及界面新滑移长度方程，最终获得拉压过程三个阶段的应力

【技术实现步骤摘要】
一种编织陶瓷基复合材料拉压疲劳迟滞回线的预测方法


[0001]本专利技术涉及复合材料疲劳迟滞回线预测
，尤其涉及一种编织陶瓷基复合材料拉压疲劳迟滞回线的预测方法。

技术介绍

[0002]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(Leading EdgeAviation Propulsion)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发动机为大型飞机C919提供动力。
[0003]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、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。在拉压疲劳载荷作用下，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。
[0004]目前针对编织陶瓷基复合材料疲劳迟滞回线的研究，未考虑压缩载荷对迟滞回线的影响(李龙彪，纤维增强陶瓷基复合材料疲劳迟滞回线模型研究[J]，力学学报，2014，5：710
‑
729)。如何考虑压缩载荷对编织陶瓷基复合材料疲劳迟滞回线的影响，监测压缩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

[0005]本专利技术的目的在于提供一种编织陶瓷基复合材料拉压疲劳迟滞回线的预测方法，本专利技术提供的方法考虑了拉压疲劳载荷因素对编织陶瓷基复合材料界面脱粘以及界面滑移的影响，能够准确地预测拉压疲劳载荷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。
[0006]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：
[0007]本专利技术提供了一种编织陶瓷基复合材料拉压疲劳迟滞回线的预测方法，包括如下步骤：
[0008](1)将编织陶瓷基复合材料的卸载阶段划分为第一卸载阶段、第二卸载阶段和第三卸载阶段，其中，所述第一卸载阶段为界面反向滑移阶段，第二卸载阶段为基体裂纹闭合阶段，第三卸载阶段为基体完全压缩阶段；
[0009]将编织陶瓷基复合材料的重新加载阶段划分为第一重新加载阶段、第二重新加载阶段和第三重新加载阶段，其中，所述第一重新加载阶段为基体完全压缩阶段，第二重新加载阶段为基体裂纹闭合阶段，第三重新加载阶段为界面新滑移阶段；
[0010]根据卸载与重新加载纤维相对基体在界面处的滑移机理，得到编织陶瓷基复合材
料拉压疲劳载荷条件下的疲劳损伤细观应力场，基于所述编织陶瓷基复合材料拉压疲劳载荷条件下的损伤细观应力场，分别建立第一卸载阶段、第二卸载阶段、第三卸载阶段、第一重新加载阶段、第二重新加载阶段和第三重新加载阶段时纤维轴向应力分布方程和基体轴向应力分布方程；
[0011](2)根据断裂力学界面脱粘准则，分别建立界面脱粘长度方程、界面反向滑移长度方程、界面压缩滑移长度方程和界面新滑移长度方程；
[0012](3)根据步骤(1)中第一卸载阶段、第二卸载阶段、第三卸载阶段、第一重新加载阶段、第二重新加载阶段和第三重新加载阶段时纤维轴向应力分布方程和基体轴向应力分布方程以及步骤(2)中界面脱粘长度方程、界面反向滑移长度方程、界面压缩滑移长度方程和界面新滑移长度方程，建立编织陶瓷基复合材料拉压疲劳载荷条件下的应力
‑
应变关系方程，以此预测编织陶瓷基复合材料拉压疲劳迟滞回线。
[0013]优选地，所述步骤(1)中，在第一卸载阶段时，编织陶瓷基复合材料的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：
[0014][0015][0016]其中，σ
f
(x)为纤维轴向应力，σ
unloading
为卸载应力，τ
i
为界面脱粘区摩擦剪应力，r
f
为纤维半径，L
counter_slip
为界面反向滑移长度，L
debonding
为界面脱粘长度，L
cracking
为基体裂纹间距，ρ为剪滞模型参数，χ为复合材料沿应力加载方向纤维有效体积含量系数，V
f
为复合材料中纤维体积含量；σ
fo
为界面粘结区纤维轴向应力，σ
mo
为界面粘结区基体轴向应力，x为轴向取值，V
m
为复合材料中基体体积含量，σ
m
(x)为基体轴向应力；
[0017]定义基体裂纹闭合应力为σ
closure
，在所述基体裂纹闭合应力作用下，基体闭合应力时纤维应变和基体闭合应力时基体应变满足式3所示方程：
[0018]ε
f
(σ
closure
)＝ε
m
(σ
closure
)
ꢀꢀꢀ
式3；
[0019]其中，ε
f
(σ
closure
)为基体闭合应力时纤维应变，ε
m
(σ
closure
)为基体闭合应力时基体应变；
[0020]当卸载应力低于所述基体裂纹闭合应力时，进入第二卸载阶段，此时编织陶瓷基复合材料的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：
[0021][0022][0023]其中，L
compressive
为界面压缩滑移长度；
[0024]定义完全压缩应力为σ
complete_compressive
，当卸载应力低于所述完全压缩应力时，进入第三卸载阶段，此时编织陶瓷基复合材料的纤维轴向应力分布方程如式6
‑
1所示，基体轴向应力分布方程如式6
‑
2所示：
[0025]σ
f
(x)＝σ
fo
ꢀꢀꢀ
式6
‑
1；
[0026]σ
m
(x)＝σ
mo
ꢀꢀꢀ
式6
‑
2。
[0027]优选地，所述步骤(1)中，当重新加载应力低于所述完全压缩应力时，进入第一重新加载阶段，此时编织陶瓷基复合材料的纤维轴向应力由式6
‑
1确定，基体轴向应力由式6
‑
2确定；
[0028]当重新加载应力高于所述完全压缩应力且低于所述基体裂纹闭合应力时，进入所述第二重新加载阶段，此时编织陶瓷基复合材料的纤维轴向应力由式4确定，基体轴向应力由式5确定；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种编织陶瓷基复合材料拉压疲劳迟滞回线的预测方法，包括如下步骤：(1)将编织陶瓷基复合材料的卸载阶段划分为第一卸载阶段、第二卸载阶段和第三卸载阶段，其中，所述第一卸载阶段为界面反向滑移阶段，第二卸载阶段为基体裂纹闭合阶段，第三卸载阶段为基体完全压缩阶段；将编织陶瓷基复合材料的重新加载阶段划分为第一重新加载阶段、第二重新加载阶段和第三重新加载阶段，其中，所述第一重新加载阶段为基体完全压缩阶段，第二重新加载阶段为基体裂纹闭合阶段，第三重新加载阶段为界面新滑移阶段；根据卸载与重新加载纤维相对基体在界面处的滑移机理，得到编织陶瓷基复合材料拉压疲劳载荷条件下的疲劳损伤细观应力场，基于所述编织陶瓷基复合材料拉压疲劳载荷条件下的损伤细观应力场，分别建立第一卸载阶段、第二卸载阶段、第三卸载阶段、第一重新加载阶段、第二重新加载阶段和第三重新加载阶段时纤维轴向应力分布方程和基体轴向应力分布方程；(2)根据断裂力学界面脱粘准则，分别建立界面脱粘长度方程、界面反向滑移长度方程、界面压缩滑移长度方程和界面新滑移长度方程；(3)根据步骤(1)中第一卸载阶段、第二卸载阶段、第三卸载阶段、第一重新加载阶段、第二重新加载阶段和第三重新加载阶段时纤维轴向应力分布方程和基体轴向应力分布方程以及步骤(2)中界面脱粘长度方程、界面反向滑移长度方程、界面压缩滑移长度方程和界面新滑移长度方程，建立编织陶瓷基复合材料拉压疲劳载荷条件下的应力
‑
应变关系方程，以此预测编织陶瓷基复合材料拉压疲劳迟滞回线。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)中，在第一卸载阶段时，编织陶瓷基复合材料的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：示：其中，σ
f
(x)为纤维轴向应力，σ
unloading
为卸载应力，τ
i
为界面脱粘区摩擦剪应力，r
f
为纤维半径，L
counter_slip
为界面反向滑移长度，L
debonding
为界面脱粘长度，L
cracking
为基体裂纹间距，ρ为剪滞模型参数，χ为复合材料沿应力加载方向纤维有效体积含量系数，V
f
为复合材料中纤维体积含量；σ
fo
为界面粘结区纤维轴向应力，σ
mo
为界面粘结区基体轴向应力，x为轴向取值，V
m
为复合材料中基体体积含量，σ
m
(x)为基体轴向应力；
定义基体裂纹闭合应力为σ
closure
，在所述基体裂纹闭合应力作用下，基体闭合应力时纤维应变和基体闭合应力时基体应变满足式3所示方程：ε
f
(σ
closure
)＝ε
m
(σ
closure
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式3；其中，ε
f
(σ
closure
)为基体闭合应力时纤维应变，ε
m
(σ
closure
)为基体闭合应力时基体应变；当卸载应力低于所述基体裂纹闭合应力时，进入第二卸载阶段，此时编织陶瓷基复合材料的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：材料的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：其中，L
compressive
为界面压缩滑移长度；定义完全压缩应力为σ
complete_compressive
，当卸载应力低于所述完全压缩应力时，进入第三卸载阶段，此时编织陶瓷基复合材料的纤维轴向应力分布方程如式6<...

【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：