本申請涉及復合材料裂紋張開位移預測，特別是涉及一種纖維增強陶瓷基復合材料裂紋張開位移預測方法及系統(tǒng)。

背景技術：

1、纖維增強陶瓷基復合材料被廣泛應用于航空、航天和能源等領域，其服役環(huán)境極其惡劣，包含復雜應力狀態(tài)、高溫、化學腐蝕等，隨著環(huán)境溫度的升高，使用載荷的增加，氧化環(huán)境的作用，導致模量與強度隨時間逐漸衰退，抵抗變形的能力變差。熱-力-氧的耦合作用是指在溫度、應力和氧化三種因素的綜合作用，在熱-力-氧的耦合作用下，基體裂紋張開使得氧化性氣體進入纖維增強陶瓷基復合材料的內(nèi)部，并氧化界面相及纖維等，從而導致纖維增強陶瓷基復合材料的內(nèi)部損傷加劇。為了確保纖維增強陶瓷基復合材料使用過程中的可靠性與安全性，需要建立熱-力-氧耦合作用下的纖維增強陶瓷基復合材料基體裂紋張開位移模型，以便于預測裂紋張開位移隨時間的演化關系。

2、然而，目前針對纖維增強陶瓷基復合材料在熱-力-氧耦合作用下的基體裂紋張開位移的研究較少，且都無法準確地預測出纖維增強陶瓷基復合材料在熱-力-氧耦合作用下的基體裂紋張開位移。因此，如何考慮溫度、載荷和氧化等多因素的耦合影響，精準地預測出纖維增強陶瓷基復合材料在熱-力-氧耦合作用下的基體裂紋張開位移情況，是保證纖維增強陶瓷基復合材料實際工程應用的一個亟待解決的技術問題。

技術實現(xiàn)思路

1、本申請的目的是提供一種纖維增強陶瓷基復合材料裂紋張開位移預測方法及系統(tǒng)，可以綜合考慮溫度、載荷和氧化多種因素的耦合影響，精準地預測出纖維增強陶瓷基復合材料在熱-力-氧耦合作用下的基體裂紋張開位移情況。

2、為實現(xiàn)上述目的，本申請?zhí)峁┝巳缦路桨浮?/p>

3、第一方面，本申請?zhí)峁┝艘环N纖維增強陶瓷基復合材料裂紋張開位移預測方法，所述纖維增強陶瓷基復合材料裂紋張開位移預測方法包括以下步驟。

4、獲取纖維增強陶瓷基復合材料的基礎數(shù)據(jù)；所述基礎數(shù)據(jù)包括試驗溫度、纖維半徑、纖維彈性模量、基體彈性模量和纖維與基體的體積百分比。

5、根據(jù)所述基礎數(shù)據(jù)，建立所述纖維增強陶瓷基復合材料的界面相氧化模型；所述界面相氧化模型是指基于熱-力-氧耦合作用機制，所述纖維增強陶瓷基復合材料的溫度和時間依賴的界面相發(fā)生氧化的模型。

6、根據(jù)所述界面相氧化模型，建立所述纖維增強陶瓷基復合材料的單胞模型，并根據(jù)所述單胞模型確定溫度和時間依賴的纖維與基體細觀應力場。

7、根據(jù)所述纖維與基體細觀應力場和基體隨機開裂模型，計算溫度、應力和時間依賴的基體裂紋長度；所述基體隨機開裂模型是指基體內(nèi)部缺陷使所述纖維增強陶瓷基復合材料在載荷作用下的開裂位置出現(xiàn)隨機性的模型。

8、根據(jù)所述溫度、應力和時間依賴的基體裂紋長度和所述纖維與基體細觀應力場，計算基體裂紋平面處的溫度、應力和時間依賴的纖維軸向位移和基體軸向位移。

9、根據(jù)所述基體裂紋平面處的溫度、應力和時間依賴的纖維軸向位移和基體軸向位移，采用斷裂力學界面脫粘準則，計算溫度、應力和時間依賴的界面脫粘長度。

10、根據(jù)所述溫度、應力和時間依賴的界面脫粘長度，計算得到基體裂紋張開位移。

11、第二方面，本申請?zhí)峁┝艘环N纖維增強陶瓷基復合材料裂紋張開位移預測系統(tǒng)，包括：存儲器、處理器以及存儲在存儲器上并可在處理器上運行的計算機程序，所述處理器執(zhí)行所述計算機程序以實現(xiàn)第一方面所述的纖維增強陶瓷基復合材料裂紋張開位移預測方法。

12、根據(jù)本申請?zhí)峁┑木唧w實施例，本申請公開了以下技術效果：

13、本申請?zhí)峁┝艘环N纖維增強陶瓷基復合材料裂紋張開位移預測方法及系統(tǒng)，通過綜合考慮溫度、載荷和氧化多種因素的耦合影響，基于熱-力-氧耦合作用機制，首先根據(jù)纖維增強陶瓷基復合材料的基礎數(shù)據(jù)，建立界面相氧化模型；然后根據(jù)界面相氧化模型，建立纖維增強陶瓷基復合材料的單胞模型，得到纖維與基體細觀應力場；再根據(jù)纖維與基體細觀應力場和基體隨機開裂模型，計算溫度、應力和時間依賴的基體裂紋長度；然后根據(jù)溫度、應力和時間依賴的基體裂紋長度和纖維與基體細觀應力場，計算溫度、應力和時間依賴的纖維軸向位移和基體軸向位移，從而進一步計算得到基體裂紋平面處的溫度、應力和時間依賴的纖維軸向位移和基體軸向位移；然后根據(jù)基體裂紋平面處的溫度、應力和時間依賴的纖維軸向位移和基體軸向位移，采用斷裂力學界面脫粘準則，計算溫度、應力和時間依賴的界面脫粘長度；最后根據(jù)溫度、應力和時間依賴的界面脫粘長度，計算得到基體裂紋張開位移，從而可以精準預測計算出纖維增強陶瓷基復合材料在熱-力-氧耦合作用下的基體裂紋張開位移情況。

技術特征：

1.一種纖維增強陶瓷基復合材料裂紋張開位移預測方法，其特征在于，所述纖維增強陶瓷基復合材料裂紋張開位移預測方法包括：

2.根據(jù)權利要求1所述的纖維增強陶瓷基復合材料裂紋張開位移預測方法，其特征在于，所述界面相氧化模型的表達式為：

3.根據(jù)權利要求1所述的纖維增強陶瓷基復合材料裂紋張開位移預測方法，其特征在于，所述纖維與基體細觀應力場的表達式為：

4.根據(jù)權利要求1所述的纖維增強陶瓷基復合材料裂紋張開位移預測方法，其特征在于，采用下式計算所述溫度、應力和時間依賴的基體裂紋長度：

5.根據(jù)權利要求1所述的纖維增強陶瓷基復合材料裂紋張開位移預測方法，其特征在于，根據(jù)所述溫度、應力和時間依賴的基體裂紋長度和所述纖維與基體細觀應力場，計算基體裂紋平面處的溫度、應力和時間依賴的纖維軸向位移和基體軸向位移，具體包括：

6.根據(jù)權利要求5所述的纖維增強陶瓷基復合材料裂紋張開位移預測方法，其特征在于，采用下式計算所述溫度、應力和時間依賴的纖維軸向位移和基體軸向位移：

7.根據(jù)權利要求5所述的纖維增強陶瓷基復合材料裂紋張開位移預測方法，其特征在于，采用下式計算所述基體裂紋平面處的溫度、應力和時間依賴的纖維軸向位移和基體軸向位移：

8.根據(jù)權利要求1所述的纖維增強陶瓷基復合材料裂紋張開位移預測方法，其特征在于，采用下式計算所述溫度、應力和時間依賴的界面脫粘長度：

9.根據(jù)權利要求1所述的纖維增強陶瓷基復合材料裂紋張開位移預測方法，其特征在于，采用下式計算所述基體裂紋張開位移：

10.一種纖維增強陶瓷基復合材料裂紋張開位移預測系統(tǒng)，包括：存儲器、處理器以及存儲在存儲器上并可在處理器上運行的計算機程序，其特征在于，所述處理器執(zhí)行所述計算機程序以實現(xiàn)權利要求1-9中任一項所述的纖維增強陶瓷基復合材料裂紋張開位移預測方法。

技術總結
本申請公開了一種纖維增強陶瓷基復合材料裂紋張開位移預測方法及系統(tǒng)，涉及復合材料裂紋張開位移預測技術領域，該方法包括獲取纖維增強陶瓷基復合材料的基礎數(shù)據(jù)，建立界面相氧化模型；再建立單胞模型，確定纖維與基體細觀應力場；根據(jù)纖維與基體細觀應力場和基體隨機開裂模型，計算溫度、應力和時間依賴的基體裂紋長度；再計算基體裂紋平面處的溫度、應力和時間依賴的纖維軸向位移和基體軸向位移；再采用斷裂力學界面脫粘準則，計算溫度、應力和時間依賴的界面脫粘長度，從而計算得到基體裂紋張開位移。本申請可以綜合考慮溫度、應力和氧化多因素的耦合影響，精準地預測計算出纖維增強陶瓷基復合材料的基體裂紋張開位移情況。

技術研發(fā)人員：李龍彪
受保護的技術使用者：南京航空航天大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/6