一种编织陶瓷基复合材料次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一种编织陶瓷基复合材料次裂纹张开位移预测方法及系统，包括：根据编织陶瓷基复合材料的材料参数，采用细观力学方法得到编织陶瓷基复合材料出现次裂纹的细观应力场；根据编织陶瓷基复合材料出现次裂纹的细观应力场，采用轴向位移计算方法得到界面脱粘区范围内的纤维和基体的轴向位移；根据界面脱粘区范围内的纤维和基体的轴向位移，采用断裂力学方法得到编织陶瓷基复合材料次裂纹的界面脱粘长度；根据界面脱粘长度、界面脱粘区范围内的纤维和基体的轴向位移，得到编织陶瓷基复合材料次裂纹张开位移。本发明专利技术能够提高编织陶瓷基复合材料次裂纹张开位移预测结果的精度，确保陶瓷基复合材料结构件高温环境使用可靠性与安全性，且成本低。且成本低。且成本低。

【技术实现步骤摘要】
一种编织陶瓷基复合材料次裂纹张开位移预测方法及系统


[0001]本专利技术涉及复合材料裂纹张开位移预测
，特别是涉及一种编织陶瓷基复合材料次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。由CFM公司研制的LEAP(Leading Edge Aviation 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。次裂纹是形成于轴向铺层的裂纹，在载荷作用下，次裂纹将扩展导致复合材料模量和强度衰退；高温环境下，氧化性气体将通过次裂纹进入复合材料内部，氧化界面相和纤维，建立针对编织陶瓷基复合材料次裂纹张开位移的预测方法，是确保陶瓷基复合材料结构件高温环境使用可靠性与安全性的前提。
[0004]现有技术基于试验预测编织陶瓷基复合材料次裂纹张开位移，由于次裂纹张开位移尺度小，通过试验获取次裂纹张开位移成本高、精度低。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种编织陶瓷基复合材料次裂纹张开位移预测方法及系统，能够提高编织陶瓷基复合材料次裂纹张开位移预测结果的精度，确保陶瓷基复合材料结构件高温环境使用可靠性与安全性，且成本低。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0007]一种编织陶瓷基复合材料次裂纹张开位移预测方法，所述方法包括：
[0008]获取编织陶瓷基复合材料的材料参数；所述材料参数包括纤维材料参数和基体材料参数；
[0009]根据所述材料参数，采用细观力学方法得到编织陶瓷基复合材料出现次裂纹的细观应力场；所述编织陶瓷基复合材料出现次裂纹的细观应力场包括复合材料出现基体开裂、界面脱粘损伤后的纤维的轴向细观应力场和复合材料出现基体开裂、界面脱粘损伤后的基体的轴向细观应力场；所述复合材料出现基体开裂、界面脱粘损伤后的纤维的轴向细观应力场包括界面脱粘区和界面粘结区的纤维轴向应力分布；所述复合材料出现基体开裂、界面脱粘损伤后的基体的轴向细观应力场包括界面脱粘区和界面粘结区的基体轴向应
力分布；
[0010]根据所述编织陶瓷基复合材料出现次裂纹的细观应力场，采用轴向位移计算方法得到界面脱粘区范围内的纤维的轴向位移和界面脱粘区范围内的基体的轴向位移；
[0011]根据所述界面脱粘区范围内的纤维的轴向位移和所述界面脱粘区范围内的基体的轴向位移，采用断裂力学方法得到编织陶瓷基复合材料次裂纹的界面脱粘长度；
[0012]根据所述编织陶瓷基复合材料次裂纹的界面脱粘长度、所述界面脱粘区范围内的纤维的轴向位移和所述界面脱粘区范围内的基体的轴向位移，得到编织陶瓷基复合材料次裂纹张开位移。
[0013]可选地，所述根据所述材料参数，采用细观力学方法得到编织陶瓷基复合材料出现次裂纹的细观应力场，具体包括：
[0014]根据所述纤维材料参数，采用公式计算复合材料出现基体开裂、界面脱粘损伤后的纤维的轴向细观应力场σ
f
(x)；式中，V
f
为纤维体积含量，σ为外部应力，η为轴向纱线与轴向和横向纱线厚度之比，σ
to
为粘结区横向纱线轴向应力，γ为轴向与横向纱线厚度之比，τ
i
为界面剪应力，r
f
为纤维半径，x表示纤维轴向坐标，L
d
为编织陶瓷基复合材料次裂纹的界面脱粘长度，σ
fo
为界面粘结区纤维轴向应力，ρ为剪滞模型参数，L
c
为基体裂纹间距；
[0015]根据所述基体材料参数，采用公式计算复合材料出现基体开裂、界面脱粘损伤后的基体的轴向细观应力场σ
m
(x)；式中，V
m
为基体体积含量，σ
mo
表示基体界面粘结区应力。
[0016]可选地，所述根据所述编织陶瓷基复合材料出现次裂纹的细观应力场，采用轴向位移计算方法得到界面脱粘区范围内的纤维的轴向位移和界面脱粘区范围内的基体的轴向位移，具体包括：
[0017]根据所述复合材料出现基体开裂、界面脱粘损伤后的纤维的轴向细观应力场，采用公式计算界面脱粘区范围内的纤维的轴向位移Ψ
AFD
(x)；式中，E
f
表示纤维弹性模量，E
c
表示复合材料弹性模量；
[0018]根据所述复合材料出现基体开裂、界面脱粘损伤后的基体的轴向细观应力场，采用公式计算界面脱粘区范围内的基体的轴向位移Ψ
AMD
(x)；式中，E
m
表示基体弹性模量。
[0019]可选地，所述根据所述界面脱粘区范围内的纤维的轴向位移和所述界面脱粘区范围内的基体的轴向位移，采用断裂力学方法得到编织陶瓷基复合材料次裂纹的界面脱粘长度，具体包括：
[0020]对所述界面脱粘区范围内的纤维的轴向位移Ψ
AFD
(x)和所述界面脱粘区范围内的基体的轴向位移Ψ
AMD
(x)作差，计算纤维相对基体位移U(x)；
[0021]根据所述纤维相对基体位移U(x)和所述界面脱粘区范围内的纤维的轴向位移Ψ
AFD
(x)，采用公式计算编织陶瓷基复合材料次裂纹的界面脱粘长度L
d
；式中，Γ
i
为界面脱粘能，F为基体裂纹平面纤维承担载荷，Ψ
AFD
(x＝0)为基体裂纹平面纤维轴向位移。
[0022]可选地，所述根据所述编织陶瓷基复合材料次裂纹的界面脱粘长度、所述界面脱粘区范围内的纤维的轴向位移和所述界面脱粘区范围内的基体的轴向位移，得到编织陶瓷基复合材料次裂纹张开位移，具体包括：
[0023]根据所述编织陶瓷基复合材料次裂纹的界面脱粘长度L
d
和所述纤维相对基体位移U(x)，采用公式计算编织陶瓷基复合材料次裂纹张开位移Ψ
COD
；式中，E1表示沿纤维方向复合材料的弹性模量。
[0024]本专利技术还提供了如下方案：
[0025]一种编织陶瓷基复合材料次裂纹张开位移预测系统，所述系统包括：
[0026]材料参数获取模块，用于获取编织陶瓷基复合材料的材料参数；所述材料参数包括纤维材料参数和基体材料参数；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种编织陶瓷基复合材料次裂纹张开位移预测方法，其特征在于，所述方法包括：获取编织陶瓷基复合材料的材料参数；所述材料参数包括纤维材料参数和基体材料参数；根据所述材料参数，采用细观力学方法得到编织陶瓷基复合材料出现次裂纹的细观应力场；所述编织陶瓷基复合材料出现次裂纹的细观应力场包括复合材料出现基体开裂、界面脱粘损伤后的纤维的轴向细观应力场和复合材料出现基体开裂、界面脱粘损伤后的基体的轴向细观应力场；所述复合材料出现基体开裂、界面脱粘损伤后的纤维的轴向细观应力场包括界面脱粘区和界面粘结区的纤维轴向应力分布；所述复合材料出现基体开裂、界面脱粘损伤后的基体的轴向细观应力场包括界面脱粘区和界面粘结区的基体轴向应力分布；根据所述编织陶瓷基复合材料出现次裂纹的细观应力场，采用轴向位移计算方法得到界面脱粘区范围内的纤维的轴向位移和界面脱粘区范围内的基体的轴向位移；根据所述界面脱粘区范围内的纤维的轴向位移和所述界面脱粘区范围内的基体的轴向位移，采用断裂力学方法得到编织陶瓷基复合材料次裂纹的界面脱粘长度；根据所述编织陶瓷基复合材料次裂纹的界面脱粘长度、所述界面脱粘区范围内的纤维的轴向位移和所述界面脱粘区范围内的基体的轴向位移，得到编织陶瓷基复合材料次裂纹张开位移。2.根据权利要求1所述的编织陶瓷基复合材料次裂纹张开位移预测方法，其特征在于，所述根据所述材料参数，采用细观力学方法得到编织陶瓷基复合材料出现次裂纹的细观应力场，具体包括：根据所述纤维材料参数，采用公式计算复合材料出现基体开裂、界面脱粘损伤后的纤维的轴向细观应力场σ
f
(x)；式中，V
f
为纤维体积含量，σ为外部应力，η为轴向纱线与轴向和横向纱线厚度之比，σ
to
为粘结区横向纱线轴向应力，γ为轴向与横向纱线厚度之比，τ
i
为界面剪应力，r
f
为纤维半径，x表示纤维轴向坐标，L
d
为编织陶瓷基复合材料次裂纹的界面脱粘长度，σ
fo
为界面粘结区纤维轴向应力，ρ为剪滞模型参数，L
c
为基体裂纹间距；根据所述基体材料参数，采用公式计算复合材料出现基体开裂、界面脱粘损伤后的基体的轴向细观应力场σ
m
(x)；式中，V
m
为基体体积含量，σ
mo
表示基体界面粘结区应力。3.根据权利要求2所述的编织陶瓷基复合材料次裂纹张开位移预测方法，其特征在于，所述根据所述编织陶瓷基复合材料出现次裂纹的细观应力场，采用轴向位移计算方法得到
界面脱粘区范围内的纤维的轴向位移和界面脱粘区范围内的基体的轴向位移，具体包括：根据所述复合材料出现基体开裂、界面脱粘损伤后的纤维的轴向细观应力场，采用公式计算界面脱粘区范围内的纤维的轴向位移Ψ
AFD
(x)；式中，E
f
表示纤维弹性模量，E
c
表示复合材料弹性模量；根据所述复合材料出现基体开裂、界面脱粘损伤后的基体的轴向细观应力场，采用公式计算界面脱粘区范围内的基体的轴向位移Ψ
AMD
(x)；式中，E
m
表示基体弹性模量。4.根据权利要求3所述的编织陶瓷基复合材料次裂纹张开位移预测方法，其特征在于，所述根据所述界面脱粘区范围内的纤维的轴向位移和所述界面脱粘区范围内的基体的轴向位移，采用断裂力学方法得到编织陶瓷基复合材料次裂纹的界面脱粘长度，具体包括：对所述界面脱粘区范围内的纤维的轴向位移Ψ
AFD
(x)和所述界面脱粘区范围内的基体的轴向位移Ψ
AMD
(x)作差，计算纤维相对基体位移U(x)；根据所述纤维相对基体位移U(x)和所述界面脱粘区范围内的纤维的轴向位移Ψ
AFD
(x)，采用公式计算编织陶瓷基复合材料次裂纹的界面脱粘长度L
d
；式中，Γ
i
为界面脱粘能，F为基体裂纹平面纤维承担载荷，Ψ
AFD
(x＝0)为基体裂纹平面纤维轴向位移。5.根据权利要求4所述的编织陶瓷基复合材料次裂纹张开位移预测方法，其特征在于，所述根据所述编织陶瓷基复合材料次裂纹的界面脱粘长度、所述界面脱粘区范围内的纤维的轴向位移和所述界面脱粘区范围内的基体的轴向位移，得到编织陶瓷基复合材料次裂纹张开位移，具体包括：根据所述编织陶瓷基复合材料次裂纹的界面脱粘长度L
d
和所述纤维相对基体位移U(x)，采用公式计算编织陶瓷基复合材料次裂纹张开位移Ψ
COD
；式中，E1表示沿纤维...

【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：