復雜編織結構陶瓷基復合材料疲勞遲滯行為預測方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于多尺度模型的復雜編織結構陶瓷基復合材料疲勞遲滯行為 預測方法。
【背景技術】
[0002] 復雜編織陶瓷基復合材料具有高比強、高比模、耐高溫、耐腐蝕和低密度等優(yōu)良性 能,在空天飛行器高溫防護系統(tǒng)具有廣泛的需求。材料在其使用過程中,由于受載荷和環(huán)境 等因素的影響,會逐漸產(chǎn)生構件損傷以至于破壞,其主要破壞形式之一是疲勞損傷。材料在 疲勞載荷作用下,其應力-應變曲線會出現(xiàn)遲滯回線。對遲滯回線的理解是模擬和預測材料 疲勞損傷的關鍵。因此,研究復雜編織結構陶瓷基復合材料疲勞遲滯行為對其應用有著重 要意義。
[0003] 由于單向陶瓷基復合材料存在非纖維方向力學性能弱等缺點,其應用范圍受到了 限制。二維,2.5維和三維復雜編織結構陶瓷基復合材料的出現(xiàn),克服了單向復合材料的缺 點,同時在厚度方向上纖維束整體化更高,增加了材料層間剪切強度,減少了分層現(xiàn)象,并 提高了復合材料抗沖擊性能和彎曲疲勞性能,因此大大擴展了陶瓷基復合材料的應用范 圍。
[0004] 然而由于復雜編織結構陶瓷基復合材料是一種新型結構材料,國內外還沒有高效 的方法預測其疲勞遲滯行為,也未見公開的發(fā)明專利??状涸?孔春元,孫志剛,高希光,宋 迎東.2.5維C/SiC復合材料經(jīng)向拉伸性能.復合材料學報,2012.)采用多尺度模型對2.5維 編織陶瓷基復合材料經(jīng)向拉伸行為進行了模擬,得到了 2.5維C/SiC復合材料經(jīng)向單軸拉伸 過程的應力-應變曲線。他的計算結果與試驗結果較為一致,但是并沒有給出循環(huán)載荷下的 疲勞遲滯回線。李龍彪(李龍彪.纖維增強陶瓷基復合材料疲勞遲滯回線模型研究[J].力學 學報,2014,05:710-729.)基于材料力學理論發(fā)展了二維和2.5維陶瓷基復合材料遲滯回線 預測模型,預測了循環(huán)加載下的遲滯回線。但是由于模型存在大量的假設,將編織結構簡化 為一維模型,無法準確地給出復雜的細觀應力場,因此這種方法不能夠精確地預測出復雜 編織結構的疲勞遲滯行為。當前,如何準確的預測復雜編織結構陶瓷基復合材料的疲勞遲 滯行為是本技術領域重要而難以解決的問題。
【發(fā)明內容】
[0005] 針對上述現(xiàn)有技術的不足,本發(fā)明的目的是提供一種復雜編織結構陶瓷基復合材 料疲勞遲滯行為預測方法,以解決現(xiàn)有技術存在的不能夠精確地預測出復雜編織結構的疲 勞遲滯行為的問題。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用以下技術方案:
[0007] -種復雜編織結構陶瓷基復合材料疲勞遲滯行為預測方法,包括如下步驟:
[0008] (1)基于有限元法,建立雜編織結構陶瓷基復合材料的單胞模型;
[0009] (2)基于單向遲滯理論,計算微觀尺度下單元本構關系并獲取拉伸失效應變;
[0010] (3)進入初始加載階段,將其代入單胞模型,進行剛度折減;
[0011] (4)對單胞模型施加周期性邊界條件;
[0012] (5)統(tǒng)計單胞模型平均應力和平均應變;
[0013] (6)進入卸載和重新加載階段,計算該循環(huán)數(shù)下微觀尺度疲勞性能;
[0014] (7)基于纖維破壞準則,判斷微觀尺度下是否失效,若失效,執(zhí)行步驟(9),否則執(zhí) 行步驟(8);
[0015] (8)提取該循環(huán)內最大應變;
[0016] (9)基于最大應變失效準則,判定單胞尺度下是否失效,若該循環(huán)內最大應變小于 等于拉伸失效應變,循環(huán)數(shù)Cycle加 1,重新執(zhí)行步驟(6),否則執(zhí)行步驟(10);
[0017] (10)疲勞失效,輸出單胞尺度下材料疲勞遲滯回線,程序終止。
[0018] 所述步驟(1)中,用ANSYS建模仿真軟件建立單胞模型。
[0019] 所述步驟(2)中,當復合材料出現(xiàn)損傷時,假設復合材料應變等于未損傷的纖維應 變,即
[0021] 上式中,表示復合材料應變,Ef表示纖維彈性模量,L表示基體裂紋間距,〇f(x)表 示纖維軸向應力,α。表示復合材料熱膨脹系數(shù),a f表示纖維熱膨脹系數(shù),ΛΤ表示復合材料制 備溫度與工作溫度之差;
[0022] 當界面部分脫粘時,卸載/重新加載界面部分滑移時卸載應變?yōu)椋?br>[0024]當界面部分脫粘時,卸載/重新加載界面部分滑移時重新加載應變?yōu)椋?br>[0026]當界面完全脫粘時,卸載/重新加載界面完全滑移時卸載應變?yōu)椋?br>[0028]當界面完全脫粘時,卸載/重新加載界面完全滑移時重新加載應變?yōu)椋?br>[0030]上述四式中£c;_pu表示界面部分脫粘時的卸載應變,ε。#界面部分脫粘時的重新加 載應變,表示界面完全脫粘時的卸載應變,ε。^表示界面完全脫粘時的重新加載應變,σ 表示復合材料軸向應力,Vf表示纖維體積含量,Ti表示界面剪應力,rf表示纖維半徑,y表示 卸載界面反向滑移長度,z表示重新加載新界面滑移長度,Ld表示界面脫粘長度。
[0031]所述步驟(3)中,設定計算載荷步數(shù)N,設定當前載荷步Loop = l;在單元坐標系下, 垂向和縱向方向彈性模量以及材料剪切模量按照下式進行折減:
[0034] 式中:Ei '為纖維束在垂向和縱向方向上折減后的彈性模量;為纖維束在垂向和 縱向方向上初始彈性模量;G。'為纖維束折減后的剪切模量;(?1為纖維束的初始剪切模量, g為纖維束橫向方向上的初始彈性模量;
[0035] 其中,纖維束初始彈性模量和剪切模量都采用剛度平均法得到。
[0036]所述步驟(4)中,周期性邊界條件為:
[0037] ui(ej)=ui(ej+Lj);
[0038] 式中,?Η(ε」)為單胞中一點位移,Lj為單胞長度。
[0039] 所述步驟(5)中,先計算單胞橫向方向應變和單胞平均應力,再計算單元新的彈性 模量,并賦給單元,然后計算并提取單胞模型經(jīng)紗單元材料橫向方向的最大應力值,最后輸 出單胞平均應力和平均應變。
[0040] 所述步驟(6)中,卸載完成后,即得到微觀尺度下疲勞遲滯回線。
[0041] 所述步驟(7)中,纖維破壞準則是纖維統(tǒng)計破壞準則,BP:
[0042] pf>q*,
[0043] 上式中,Pf為纖維斷裂概率,q*為纖維失效體積分數(shù)臨界值, 纖維威布爾模量;
[0044] 當材料滿足上式時,纖維束發(fā)生破壞。
[0(Μ5]所述步驟(8)中,先給定計算載荷步數(shù)N,設定當前載荷步Loop = l,再提取N次循環(huán) 下單胞的最大應變。
[0046] 所述步驟(9)中,基于最大應變失效準則認為當材料應變達到最大值時,復合材料 發(fā)生失效,即:
[0047] 當上式成立時,材料發(fā)生疲勞失效,^max為允許的最大應變;
[0048]所述步驟(10)中,程序停止后即顯示復雜編織結構陶瓷基復合材料單胞尺度下的 遲滯回線。
[0049] 本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明提供的基于多尺度的復雜編織結構陶瓷基復合材料 疲勞遲滯行為預測方法,考慮了基體開裂、纖維斷裂、界面滑移和界面磨損等失效機理。提 出了考慮纖維/基體/孔隙的微觀尺度模型和考慮經(jīng)紗/煒紗/孔洞的單胞尺度預測模型。本 發(fā)明提出的多尺度模型可以給出復雜編織結構的細觀應力應變場,因此能夠精確的預測出 復雜編織結構陶瓷基復合材料的疲勞遲滯行為。
【附圖說明】
[0050] 圖1是2.5維單胞模型結構尺寸參數(shù);
[0051] 圖2是淺交彎聯(lián)2.5維C/SiC編織復合材料完整的單胞模型和網(wǎng)格劃分結果;