復(fù)雜編織結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料疲勞遲滯行為預(yù)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于多尺度模型的復(fù)雜編織結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料疲勞遲滯行為 預(yù)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 復(fù)雜編織陶瓷基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)、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(hù)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(gòu)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(yīng)力-應(yīng)變曲線會出現(xiàn)遲滯回線。對遲滯回線的理解是模擬和預(yù)測材料 疲勞損傷的關(guān)鍵。因此，研究復(fù)雜編織結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料疲勞遲滯行為對其應(yīng)用有著重 要意義。
[0003] 由于單向陶瓷基復(fù)合材料存在非纖維方向力學(xué)性能弱等缺點(diǎn)，其應(yīng)用范圍受到了 限制。二維，2.5維和三維復(fù)雜編織結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料的出現(xiàn)，克服了單向復(fù)合材料的缺 點(diǎn)，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(qiáng)度，減少了分層現(xiàn)象，并 提高了復(fù)合材料抗沖擊性能和彎曲疲勞性能，因此大大擴(kuò)展了陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用范 圍。
[0004] 然而由于復(fù)雜編織結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料是一種新型結(jié)構(gòu)材料，國內(nèi)外還沒有高效 的方法預(yù)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(fù)合材料經(jīng)向拉伸性能.復(fù)合材料學(xué)報，2012.)采用多尺度模型對2.5維 編織陶瓷基復(fù)合材料經(jīng)向拉伸行為進(jìn)行了模擬，得到了 2.5維C/SiC復(fù)合材料經(jīng)向單軸拉伸 過程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。他的計算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)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(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料疲勞遲滯回線模型研究[J].力學(xué) 學(xué)報，2014，05:710-729.)基于材料力學(xué)理論發(fā)展了二維和2.5維陶瓷基復(fù)合材料遲滯回線 預(yù)測模型，預(yù)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(shè)，將編織結(jié)構(gòu)簡化 為一維模型，無法準(zhǔn)確地給出復(fù)雜的細(xì)觀應(yīng)力場，因此這種方法不能夠精確地預(yù)測出復(fù)雜 編織結(jié)構(gòu)的疲勞遲滯行為。當(dāng)前，如何準(zhǔn)確的預(yù)測復(fù)雜編織結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料的疲勞遲 滯行為是本技術(shù)領(lǐng)域重要而難以解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種復(fù)雜編織結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材 料疲勞遲滯行為預(yù)測方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不能夠精確地預(yù)測出復(fù)雜編織結(jié)構(gòu)的疲 勞遲滯行為的問題。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0007] -種復(fù)雜編織結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料疲勞遲滯行為預(yù)測方法，包括如下步驟：
[0008] (1)基于有限元法，建立雜編織結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)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(gòu)關(guān)系并獲取拉伸失效應(yīng)變；
[0010] (3)進(jìn)入初始加載階段，將其代入單胞模型，進(jìn)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(yīng)力和平均應(yīng)變；
[0013] (6)進(jìn)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(zhǔn)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(nèi)最大應(yīng)變；
[0016] (9)基于最大應(yīng)變失效準(zhǔn)則，判定單胞尺度下是否失效，若該循環(huán)內(nèi)最大應(yīng)變小于 等于拉伸失效應(yīng)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(dāng)復(fù)合材料出現(xiàn)損傷時，假設(shè)復(fù)合材料應(yīng)變等于未損傷的纖維應(yīng) 變，即
[0021] 上式中，表示復(fù)合材料應(yīng)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(yīng)力，α。表示復(fù)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(fù)合材料制 備溫度與工作溫度之差；
[0022] 當(dāng)界面部分脫粘時，卸載/重新加載界面部分滑移時卸載應(yīng)變?yōu)椋?br>[0024]當(dāng)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(yīng)變?yōu)椋?br>[0026]當(dāng)界面完全脫粘時，卸載/重新加載界面完全滑移時卸載應(yīng)變?yōu)椋?br>[0028]當(dāng)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(yīng)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(yīng)變，ε。#界面部分脫粘時的重新加 載應(yīng)變，表示界面完全脫粘時的卸載應(yīng)變，ε。^表示界面完全脫粘時的重新加載應(yīng)變，σ 表示復(fù)合材料軸向應(yīng)力，Vf表示纖維體積含量，Ti表示界面剪應(yīng)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(shè)定計算載荷步數(shù)N,設(shè)定當(dāng)前載荷步Loop = l;在單元坐標(biāo)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(jìn)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(diǎn)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(yīng)變和單胞平均應(yīng)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(yīng)力值，最后輸 出單胞平均應(yīng)力和平均應(yīng)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(zhǔn)則是纖維統(tǒng)計破壞準(zhǔn)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?jǐn)?shù)臨界值， 纖維威布爾模量；
[0044] 當(dāng)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(shè)定當(dāng)前載荷步Loop = l，再提取N次循環(huán) 下單胞的最大應(yīng)變。
[0046] 所述步驟(9)中，基于最大應(yīng)變失效準(zhǔn)則認(rèn)為當(dāng)材料應(yīng)變達(dá)到最大值時，復(fù)合材料 發(fā)生失效，即：
[0047] 當(dāng)上式成立時，材料發(fā)生疲勞失效，^max為允許的最大應(yīng)變；
[0048]所述步驟(10)中，程序停止后即顯示復(fù)雜編織結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)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(fù)雜編織結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料 疲勞遲滯行為預(yù)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(jī)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(yù)測模型。本 發(fā)明提出的多尺度模型可以給出復(fù)雜編織結(jié)構(gòu)的細(xì)觀應(yīng)力應(yīng)變場，因此能夠精確的預(yù)測出 復(fù)雜編織結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)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(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)；
[0051] 圖2是淺交彎聯(lián)2.5維C/SiC編織復(fù)合材料完整的單胞模型和網(wǎng)格劃分結(jié)果；