一种陶瓷基复合材料耦合损伤力学性能预测方法技术

本发明专利技术公开了一种陶瓷基复合材料耦合损伤力学性能的预测方法，针对陶瓷基复合材料多尺度特点及拉、剪耦合受载特征，建立了一套考虑耦合损伤的力学性能预测方法，首先输入复合材料初始细观性能参数，其次建立RVE模型，并通过纤维束损伤仿真及解耦分析，建立均匀化后的纤维束初始损伤和损伤演化模型，在此基础上，通过单轴拉伸试验修正原始细观材料性能参数，最后利用修正后的细观材料性能参数计算材料在复杂载荷下的力学性能。本发明专利技术适用于不同预制体、沉积工艺、材料组分的陶瓷基复合材料力学性能计算，提高了复合材料力学性能预测的准确性。确性。确性。

【技术实现步骤摘要】
一种陶瓷基复合材料耦合损伤力学性能预测方法


[0001]本专利技术属于航空航天复合材料领域，特别涉及一种陶瓷基复合材料耦合损伤力学性能预测方法。

技术介绍

[0002]以C/SiC、SiC/SiC为代表的陶瓷基复合材料具有耐高温、低密度的优点和良好的高温力学性能，使其在再入飞行器热防护结构、航空发动机热端部件等领域具有广泛的应用前景。陶瓷基复合材料构件在工作过程中受到气动载荷、热载荷、离心载荷等共同作用，构件失效受复杂载荷控制。对陶瓷基复合材料热结构件开展方案设计及失效分析，需要分析复杂载荷下陶瓷基复合材料的多尺度损伤机理，在此基础上建立耦合损伤力学性能预测方法，准确预示材料在拉、剪载荷共同作用下的非线性损伤过程，为陶瓷基复合材料在航天航空领域热结构件的应用提供基础。
[0003]基于多尺度的方法预测陶瓷基复合材料的力学性能是当前的研究热点，但是考虑多轴载荷耦合损伤的方法较少且现有多尺度性能预测方法研究仍存在一些问题。首先，虽然多尺度方法通过采用部分宏观唯象参数表征细观损伤演化，在一定程度上简化了模型的复杂程度，但是仍然有部分细观参数是不可避免的，例如纤维和基体模量等，且CMC组分原位性能由于制备工艺的影响会出现性能衰减，与纯组分性能有一定差距。其次，CMC制备缺陷对材料力学性能有较大影响，目前在代表体积单元(RVE)建模过程中大多采用随机分布的方式描述孔隙缺陷，而实际材料不同尺度缺陷的几何、分布特征有所区别，并非均为随机分布。最后，现有的考虑CMC耦合损伤的本构模型，多直接采用传统宏观唯象模型，仅改变模型中的唯象参数，而不同材料在组分性能、编织结构、缺陷形式等方面有很大区别，导致现有确定公式形式的宏观力学本构模型对不同材料力学性能描述的精度难以保证。因此，需要建立一套适用于不同陶瓷基复合材料考虑耦合损伤的性能预测方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服上述缺陷，提供一种陶瓷基复合材料耦合损伤力学性能的预测方法，针对陶瓷基复合材料多尺度特点及拉、剪耦合受载特征，建立了一套考虑耦合损伤的力学性能预测方法，首先输入复合材料初始细观性能参数，其次建立RVE模型，并通过纤维束损伤仿真及解耦分析，建立均匀化后的纤维束初始损伤和损伤演化模型，将纤维束初始损伤准则和损伤演化模型赋予编织结构RVE模型中的纤维束单元，在此基础上，计算材料的单轴拉伸力学性能并通过与单轴拉伸试验结果对比修正原始细观材料性能参数，最后利用修正后的细观材料性能参数计算材料在复杂载荷下的力学性能。本专利技术适用于不同预制体、沉积工艺、材料组分的陶瓷基复合材料力学性能计算，提高了复合材料力学性能预测的准确性。
[0005]为实现上述专利技术目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]一种陶瓷基复合材料耦合损伤力学性能预测方法，包含如下步骤：
[0007](1)确定复合材料初始细观性能参数；
[0008](2)建立纤维束RVE模型和编织结构RVE模型；
[0009](3)根据复合材料初始细观性能参数和纤维束RVE模型进行纤维束损伤仿真及解耦分析，得到纤维束初始损伤准则和损伤演化模型；
[0010](4)将纤维束初始损伤准则和损伤演化模型赋予编织结构RVE模型中的纤维束单元；
[0011](5)利用复合材料初始细观性能参数和编织结构RVE模型进行单轴拉伸力学性能预测，将单轴拉伸预测结果与单轴拉伸试验结果比较，根据比较结果对复合材料初始细观性能参数进行修正，得到修正后的细观性能参数；
[0012](6)利用修正后的细观性能参数、纤维束RVE模型及编织结构RVE模型进行耦合损伤力学性能预测，得到编织结构复合材料在复杂载荷下的耦合损伤力学性能预测结果。
[0013]进一步的，细观性能参数包括基体模量E
m
，纤维模量E
f
，界面法向模量E
i1
，界面切向模量E
i2
，基体泊松比μ
m
，纤维泊松比μ
f
，纤维半径R
f
，纯纤维强度S
f
，纤维强度制备折减系数D
f
，界面强度S
i
，基体强度分布因子m，基体断裂能γ
m
，界面脱粘能G，界面脱粘能量系数a，纤维束的纤维体积分数V
f
，刚度折减系数d，纤维束饱和基体裂纹间距L
sat
或细观尺度基体强度S
m
；
[0014]进一步的，所述步骤(2)中，纤维束RVE模型基于ABAQUS平台建立，包括纤维单元、基体单元和界面层Cohesive单元；纤维束RVE模型的建模尺寸通过电镜扫描获取；
[0015]所述步骤(2)中，编织结构RVE模型基于UG平台建立，模型中包含孔隙缺陷；建模尺寸、孔隙缺陷的形状和分布特征通过电镜扫描获取。
[0016]进一步的，编织结构RVE模型中纤维束内部孔隙采用数学随机分布方法描述，编织结构中孔隙的形状和分布特征采用几何建模方法描述。
[0017]进一步的，所述步骤(3)中，根据复合材料初始细观性能参数和纤维束RVE模型进行纤维束损伤仿真及解耦分析，得到纤维束初始损伤准则和损伤演化模型的步骤包括：
[0018](31)根据复合材料初始细观性能参数中的基体模量E
m
、纤维模量E
f
、界面法向模量E
i1
、界面切向模量E
i2
、基体泊松比μ
m
、纤维泊松比μ
f
、纤维半径R
f
、纯纤维强度S
f
、纤维强度制备折减系数D
f
、界面强度S
i
、基体强度分布因子m、基体断裂能γ
m
、界面脱粘能G、界面脱粘能量系数a、纤维束的纤维体积分数V
f
、刚度折减系数d、纤维束饱和基体裂纹间距L
sat
和纤维束RVE模型，建立纤维束内基体和纤维的失效准则，并描述界面的损伤过程；
[0019](32)将纤维束均匀化为包括纵向和横向的二维结构，所述纵向为纤维束内沿纤维方向，横向为纤维束内垂直于纤维的任一方向，横向细观性能参数受面内等效应变控制；基于纤维束均匀化结构，根据纤维束内基体和纤维的失效准则以及界面的损伤过程得到纤维束初始损伤准则和损伤演化模型。
[0020]进一步的，所述步骤(31)中，纤维束内基体的失效准则为当基体单元积分点最大拉伸主应力大于该单元基体强度S
′
m
时发生失效；
[0021]S
′
m
＝σ0[
‑
ln(1
‑
μ)]1/m
[0022][0023][0024]E
c
＝E
f
V
f
+E
m
(1
‑
V
f
)...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种陶瓷基复合材料耦合损伤力学性能预测方法，其特征在于，包含如下步骤：(1)确定复合材料初始细观性能参数；(2)建立纤维束RVE模型和编织结构RVE模型；(3)根据复合材料初始细观性能参数和纤维束RVE模型进行纤维束损伤仿真及解耦分析，得到纤维束初始损伤准则和损伤演化模型；(4)将纤维束初始损伤准则和损伤演化模型赋予编织结构RVE模型中的纤维束单元；(5)利用复合材料初始细观性能参数和编织结构RVE模型进行单轴拉伸力学性能预测，将单轴拉伸预测结果与单轴拉伸试验结果比较，根据比较结果对复合材料初始细观性能参数进行修正，得到修正后的细观性能参数；(6)利用修正后的细观性能参数、纤维束RVE模型及编织结构RVE模型进行耦合损伤力学性能预测，得到编织结构复合材料在复杂载荷下的耦合损伤力学性能预测结果。2.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料耦合损伤力学性能预测方法，其特征在于，所述步骤(1)中，细观性能参数包括基体模量E
m
，纤维模量E
f
，界面法向模量E
i1
，界面切向模量E
i2
，基体泊松比μ
m
，纤维泊松比μ
f
，纤维半径R
f
，纯纤维强度S
f
，纤维强度制备折减系数D
f
，界面强度S
i
，基体强度分布因子m，基体断裂能γ
m
，界面脱粘能G，界面脱粘能量系数a，纤维束的纤维体积分数V
f
，刚度折减系数d，纤维束饱和基体裂纹间距L
sat
或细观尺度基体强度S
m
。3.根据权利要求1或2所述的一种陶瓷基复合材料耦合损伤力学性能预测方法，其特征在于，所述步骤(2)中，纤维束RVE模型基于ABAQUS平台建立，包括纤维单元、基体单元和界面层Cohesive单元；纤维束RVE模型的建模尺寸通过电镜扫描获取；所述步骤(2)中，编织结构RVE模型基于UG平台建立，模型中包含孔隙缺陷；建模尺寸、孔隙缺陷的形状和分布特征通过电镜扫描获取。4.根据权利要求3所述的一种陶瓷基复合材料耦合损伤力学性能预测方法，其特征在于，编织结构RVE模型中纤维束内部孔隙采用数学随机分布方法描述，编织结构中孔隙的形状和分布特征采用几何建模方法描述。5.根据权利要求2所述的一种陶瓷基复合材料耦合损伤力学性能预测方法，其特征在于，所述步骤(3)中，根据复合材料初始细观性能参数和纤维束RVE模型进行纤维束损伤仿真及解耦分析，得到纤维束初始损伤准则和损伤演化模型的步骤包括：(31)根据复合材料初始细观性能参数和纤维束RVE模型，建立纤维束内基体和纤维的失效准则，并描述界面的损伤过程；(32)将纤维束均匀化为包括纵向和横向的二维结构，所述纵向为纤维束内沿纤维方向，横向为纤维束内垂直于纤维的任一方向，横向细观性能参数受面内等效应变控制；基于纤维束均匀化结构，根据纤维束内基体和纤维的失效准则以及界面的损伤过程得到纤维束初始损伤准则和损伤演化模型。6.根据权利要求5所述的一种陶瓷基复合材料耦合损伤力学性能预测方法，其特征在于，所述步骤(31)中，纤维束内基体的失效准则为当基体单元积分点最大拉伸主应力大于该单元基体强度S
′
m
时发生失效；S
′
m
＝σ0[
‑
ln(1
‑
μ)]
1/m
E
c
＝E
f
V
f
+E
m
(1
‑
V
f
)其中，σ0为基体特征强度，随机数μ∈(0，1)，m为基体强度分布因子，τ
i
为界面剪应力，E
c
为纤维束模量，γ
m
为基体断裂能，V
f
为纤维束的纤维体积分数，E
f
为纤维模量，R
f
为...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘鑫，屈强，吴勇军，辛健强，陈景茂，董永朋，张翔，徐腾飞，刘久周，陈韬，任冲，王露萌，尹琰鑫，王润，杨旭堃，张剑，王彦静，王锦峰，崔娴娴，任子芳，
申请(专利权)人：中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：