一种编织陶瓷基复合材料主裂纹张开位移预测方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种编织陶瓷基复合材料主裂纹张开位移预测方法及系统，所述方法包括：采用细观力学方法获得编织陶瓷基复合材料在主开裂模式下纤维和基体的细观应力场；基于所述纤维和基体的细观应力场，获得纤维和基体轴向位移；采用断裂力学方法，根据所述纤维和基体轴向位移获得界面脱粘长度；基于所述界面脱粘长度获得基体裂纹平面的张开位移。采用本发明专利技术方法能够准确预测编织陶瓷基复合材料主裂纹张开位移，进而提高编织陶瓷基复合材料在使用阶段的可靠性与安全性。用阶段的可靠性与安全性。用阶段的可靠性与安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种编织陶瓷基复合材料主裂纹张开位移预测方法及系统


[0001]本专利技术涉及陶瓷基复合材料性能评估
，特别是涉及一种编织陶瓷基复合材料主裂纹张开位移预测方法及系统。

技术介绍

[0002]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、尾喷管等领域。由CFM公司研制的LEAP(Leading Edge Aviation Propulsion,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发动机是中国大型飞机C919选用的唯一动力装置。
[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，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。为了确保陶瓷基复合材料结构使用过程中的可靠性与安全性，需要对其载荷作用下的裂纹张开位移开展深入的研究，然而，目前尚未建立针对主开裂模式裂纹张开位移的预测模型。因此，如何建立针对编织陶瓷基复合材料的主裂纹张开位移的预测方法，是本领域亟需解决的技术问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种编织陶瓷基复合材料主裂纹张开位移预测方法及系统，以准确预测编织陶瓷基复合材料主裂纹张开位移，进而提高编织陶瓷基复合材料在使用阶段的可靠性与安全性。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0006]一种编织陶瓷基复合材料主裂纹张开位移预测方法，包括：
[0007]采用细观力学方法获得编织陶瓷基复合材料在主开裂模式下纤维和基体的细观应力场；
[0008]基于所述纤维和基体的细观应力场，获得纤维和基体轴向位移；
[0009]采用断裂力学方法，根据所述纤维和基体轴向位移获得界面脱粘长度；
[0010]基于所述界面脱粘长度获得基体裂纹平面的张开位移。
[0011]可选地，所述采用细观力学方法获得编织陶瓷基复合材料在主开裂模式下纤维和基体的细观应力场，具体包括：
[0012]采用剪滞方法，根据公式
获得编织陶瓷基复合材料在主开裂模式下纤维的细观应力场；其中，σ
f
(x)为纤维的细观应力场；η为轴向纱线与轴向和横向纱线总厚度之比；V
f
为纤维体积含量；σ为外部应力；τ
i
为界面剪应力；r
f
为纤维半径；x为沿纤维轴向坐标；L
d
为界面脱粘长度；σ
fo
为界面粘结区纤维轴向应力；ρ为轴向纱线剪滞模型参数；L
c
为基体裂纹间距；
[0013]采用剪滞方法，根据公式
[0014]获得编织陶瓷基复合材料在主开裂模式下基体的细观应力场；其中，σ
m
(x)为基体的细观应力场；V
m
为基体体积含量；σ
t
(x)为横向纱线轴向应力；γ为轴向与横向纱线厚度之比；σ
to
为粘结区横向纱线轴向应力；σ
mo
为粘结区基体轴向应力。
[0015]可选地，所述基于所述纤维和基体的细观应力场，获得纤维和基体轴向位移，具体包括：
[0016]基于所述纤维的细观应力场σ
f
(x)，根据公式获得纤维轴向位移；其中，Ψ
AFD
(x)为纤维轴向位移；E
f
为纤维弹性模量；
[0017]基于所述基体的细观应力场σ
m
(x)，根据公式获得基体轴向位移；其中，Ψ
AMD
(x)为基体轴向位移；E
m
为基体弹性模量。
[0018]可选地，所述采用断裂力学方法，根据所述纤维和基体轴向位移获得界面脱粘长度，具体包括：
[0019]根据所述纤维轴向位移Ψ
AFD
(x)和所述基体轴向位移Ψ
AMD
(x)，根据公式U(x)＝Ψ
AFD
(x)
‑
Ψ
AMD
(x)确定纤维相对基体轴向位移U(x)；
[0020]根据所述纤维相对基体轴向位移U(x)建立断裂力学界面脱粘准则其中Γ
i
为界面脱粘能，F为基体裂纹平面纤维承担载荷；
[0021]将Ψ
AFD
(x＝0)和U(x)代入所述断裂力学界面脱粘准则，得到所述界面脱粘长度L
d
。
[0022]可选地，所述基于所述界面脱粘长度获得基体裂纹平面的张开位移，具体包括：
[0023]基于所述界面脱粘长度L
d
，根据公式
[0024]获得基体裂纹平面的张开位移Ψ
COD
；其中E1为轴向纱线弹性模量；E
c
为复合材料弹性模量，ρ为轴向纱线剪滞模型参数；λ为横向纱线剪滞模型参数。
[0025]一种编织陶瓷基复合材料主裂纹张开位移预测系统，包括：
[0026]细观应力场计算模块，用于采用细观力学方法获得编织陶瓷基复合材料在主开裂模式下纤维和基体的细观应力场；
[0027]轴向位移计算模块，用于基于所述纤维和基体的细观应力场，获得纤维和基体轴向位移；
[0028]界面脱粘长度计算模块，用于采用断裂力学方法，根据所述纤维和基体轴向位移获得界面脱粘长度；
[0029]张开位移计算模块，用于基于所述界面脱粘长度获得基体裂纹平面的张开位移。
[0030]可选地，所述细观应力场计算模块具体包括：
[0031]纤维细观应力场计算单元，用于采用剪滞方法，根据公式获得编织陶瓷基复合材料在主开裂模式下纤维的细观应力场；其中，σ
f
(x)为纤维的细观应力场；η为轴向纱线与轴向和横向纱线总厚度之比；V
f
为纤维体积含量；σ为外部应力；τ
i
为界面剪应力；r
f
为纤维半径；x为沿纤维轴向坐标；L
d
为界面脱粘长度；σ
fo
为界面粘结区纤维轴向应力；ρ为轴向纱线剪滞模型参数；L
c
为基体裂纹间距；
[0032]基体细观应力场计算单元，用于采用剪滞方法，根据公式
[0033]获得编织陶瓷基复合材料在主开裂模式下基体的细观应力场；其中，σ
m
(x)为基体的细观应力场；V
m
为基体体积含量；σ
t
(x)为横向纱线轴向应力；γ为轴向与横向纱线厚度之比；σ
to
为粘结区横向纱线轴向应力；σ
mo
为粘结区基体轴向应力。
[0034]可选地，所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种编织陶瓷基复合材料主裂纹张开位移预测方法，其特征在于，包括：采用细观力学方法获得编织陶瓷基复合材料在主开裂模式下纤维和基体的细观应力场；基于所述纤维和基体的细观应力场，获得纤维和基体轴向位移；采用断裂力学方法，根据所述纤维和基体轴向位移获得界面脱粘长度；基于所述界面脱粘长度获得基体裂纹平面的张开位移。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用细观力学方法获得编织陶瓷基复合材料在主开裂模式下纤维和基体的细观应力场，具体包括：采用剪滞方法，根据公式获得编织陶瓷基复合材料在主开裂模式下纤维的细观应力场；其中σ
f
(x)为纤维的细观应力场；η为轴向纱线与轴向和横向纱线总厚度之比；V
f
为纤维体积含量；σ为外部应力；τ
i
为界面剪应力；r
f
为纤维半径；x为沿纤维轴向坐标；L
d
为界面脱粘长度；σ
fo
为界面粘结区纤维轴向应力；ρ为轴向纱线剪滞模型参数；L
c
为基体裂纹间距；采用剪滞方法，根据公式获得编织陶瓷基复合材料在主开裂模式下基体的细观应力场；其中，σ
m
(x)为基体的细观应力场；V
m
为基体体积含量；σ
t
(x)为横向纱线轴向应力；γ为轴向与横向纱线厚度之比；σ
to
为粘结区横向纱线轴向应力；σ
mo
为粘结区基体轴向应力。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于所述纤维和基体的细观应力场，获得纤维和基体轴向位移，具体包括：基于所述纤维的细观应力场σ
f
(x)，根据公式获得纤维轴向位移；其中，Ψ
AFD
(x)为纤维轴向位移；E
f
为纤维弹性模量；基于所述基体的细观应力场σ
m
(x)，根据公式获得基体轴向位移；其中，Ψ
AMD
(x)为基体轴向位移；E
m
为基体弹性模量。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述采用断裂力学方法，根据所述纤维和基体轴向位移获得界面脱粘长度，具体包括：根据所述纤维轴向位移Ψ
AFD
(x)和所述基体轴向位移Ψ
AMD
(x)，根据公式U(x)＝Ψ
AFD
(x)
‑
Ψ
AMD
(x)确定纤维相对基体轴向位移U(x)；根据所述纤维相对基体轴向位移U(x)建立断裂力学界面脱粘准则其中Γ
i
为界面脱粘能，F为基体裂纹平面纤维承担载荷；将Ψ
AFD
(x＝0)和U(x)代入所述断裂力学界面脱粘准则，得到所述界面脱粘长度L
d
。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基于所述界面脱粘长度获得基体裂纹平面的张开位移，具体包括：基于所述界面脱粘长度L
d
，根据公式获得基体裂纹平面的张开位移Ψ
COD
；其中E1为轴向纱线弹性模量；E
c
为复合材料弹性模量，ρ为轴向纱线剪滞模型参数；λ为横向纱线剪滞模型参数。6.一种编织陶瓷基复合材料主裂纹张开位移预测系统，其特征在于，包括：细观应力场...

【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：