陶瓷基复合材料结构失效机理及模型研究
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陶瓷基复合材料是未来高推重比航空发动机的重要候选材料之一。为促进陶瓷基复合材料在航空发动机上的工程应用,必须对陶瓷基复合材料的失效机理和失效模型进行研究,以发展适合于陶瓷基复合材料力学行为和损伤分析的研究方法。本文基于能量释放率的裂纹偏转准则,采用虚裂纹闭合技术计算了基体裂纹在界面处不同传播路径的能量释放率,考察了弹性错配参数、基体裂纹扩展长度、基体裂纹相对扩展长度及热膨胀系数等对裂纹偏转的影响。结果表明:当不考虑温度、热匹配、界面等因素的影响时,双向基体裂纹偏转比单向基体裂纹偏转更容易发生;高温下陶瓷基复合材料基体裂纹扩展的失效模式是由外载荷和温度引起的闭合力共同决定的,只有外载荷大于温度引起的闭合力,裂纹才能进一步扩展。从细观层面解释陶瓷基复合材料在拉伸载荷下的宏观力学行为与基体开裂、界面脱粘和纤维断裂三种基本失效模式之间的关系。在陶瓷基复合材料应力应变曲线离散化方法的基础上提出陶瓷基复合材料失效过程结构离散化方法,将正交层合陶瓷基复合材料的失效过程离散为单向纤维增强陶瓷基复合材料的失效过程,单向纤维增强陶瓷基复合材料的失效过程离散为基体裂纹、界面脱粘、纤维断裂占主导地位细观失效模式控制的阶段。开展了单向纤维增强C/SiC复合材料在常温和高温环境下的单向拉伸试验研究。设计了常温和高温拉伸试件及相应试验夹具,成功实施了单向纤维增强C/SiC陶瓷基复合材料的常温和高温单向拉伸试验,得到材料的弹性模量、拉伸强度以及应力应变曲线。观察试件断口形貌和界面形貌,分析材料的失效模式和损伤演化过程。将基体裂纹、界面脱粘、纤维断裂等单一失效模式的失效准则和损伤演化规律融入宏细观统一本构模型中,建立耦合损伤的陶瓷基复合材料宏细观统一本构模型,用于预测陶瓷基复合材料的拉伸应力应变响应和损伤演化过程。
摘要 | 第4-5页 |
Abstract | 第5页 |
图表清单 | 第9-13页 |
注释表 | 第13-14页 |
第一章 绪论 | 第14-24页 |
1.1 研究背景 | 第14-15页 |
1.2 陶瓷基复合材料力学分析方法及失效机理研究现状 | 第15-22页 |
1.2.1 复合材料力学分析方法 | 第15-16页 |
1.2.2 陶瓷基复合材料失效机理及失效模型研究现状 | 第16-22页 |
1.3 本文研究的主要内容 | 第22-24页 |
第二章 陶瓷基复合材料基体裂纹偏转失效机理 | 第24-35页 |
2.1 引言 | 第24页 |
2.2 基体裂纹偏转能量释放率准则 | 第24-25页 |
2.3 VCCT 求解裂纹扩展时的能量释放率 | 第25-26页 |
2.4 计算模型 | 第26-27页 |
2.5 计算结果与分析 | 第27-34页 |
2.5.1 弹性错配参数α和β的确定 | 第27-29页 |
2.5.2 基体裂纹扩展长度的影响 | 第29-30页 |
2.5.3 基体裂纹相对扩展长度的影响 | 第30-32页 |
2.5.4 温度的影响 | 第32-34页 |
2.6 小结 | 第34-35页 |
第三章 陶瓷基复合材料结构失效模型 | 第35-71页 |
3.1 引言 | 第35页 |
3.2 陶瓷基复合材料的失效过程及失效模式 | 第35-40页 |
3.2.1 单向纤维增强陶瓷基复合材料的失效过程 | 第35-36页 |
3.2.2 正交层合陶瓷基复合材料的失效过程 | 第36-37页 |
3.2.3 陶瓷基复合材料的失效模式 | 第37-40页 |
3.3 陶瓷基复合材料失效过程结构离散化方法 | 第40-43页 |
3.3.1 失效过程结构离散化方法 | 第40-42页 |
3.3.2 力学关系的建立 | 第42-43页 |
3.4 陶瓷基复合材料失效模型的建立 | 第43-57页 |
3.4.1 损伤的RVE 建立(单向纤维增强) | 第43-47页 |
3.4.2 损伤的RVE 建立(正交层合) | 第47-50页 |
3.4.3 基体裂纹模型 | 第50-54页 |
3.4.4 界面脱粘模型 | 第54-55页 |
3.4.5 纤维断裂模型 | 第55-56页 |
3.4.6 横向基体裂纹和分层模型 | 第56页 |
3.4.7 应力应变曲线求解 | 第56-57页 |
3.5 计算结果与讨论 | 第57-70页 |
3.5.1 损伤细观应力应变场计算(单向纤维增强) | 第58-60页 |
3.5.2 损伤细观应力应变场计算(正交层合) | 第60-62页 |
3.5.3 应力应变曲线模拟(单向纤维增强) | 第62-67页 |
3.5.4 应力应变曲线模拟(正交层合) | 第67-70页 |
3.6 小结 | 第70-71页 |
第四章 陶瓷基复合材料性能试验研究 | 第71-89页 |
4.1 引言 | 第71页 |
4.2 试验材料 | 第71-72页 |
4.3 试件及试验夹具设计 | 第72-79页 |
4.3.1 试件设计 | 第72-73页 |
4.3.2 夹具设计 | 第73-76页 |
4.3.3 试件加工 | 第76-79页 |
4.4 C/SiC 陶瓷基复合材料试验 | 第79-88页 |
4.4.1 单向拉伸试验 | 第79-81页 |
4.4.2 单向拉伸试件断口分析 | 第81-85页 |
4.4.3 界面形貌分析 | 第85页 |
4.4.4 三点弯曲试验 | 第85-87页 |
4.4.5 三点弯曲试件断口形貌分析 | 第87-88页 |
4.5 小结 | 第88-89页 |
第五章 耦合损伤的宏细观统一本构模型 | 第89-114页 |
5.1 引言 | 第89页 |
5.2 宏细观统一本构模型的建立 | 第89-95页 |
5.2.1 宏观性能参量与细观性能参量的联系 | 第89-90页 |
5.2.2 切片划分及细观力学基本方程 | 第90-94页 |
5.2.3 细观应力应变场的计算 | 第94-95页 |
5.3 宏细观统一本构模型的应用 | 第95-102页 |
5.3.1 宏观有效弹性性能预测 | 第95-98页 |
5.3.2 细观结构特征对宏观性能的影响 | 第98-102页 |
5.4 损伤耦合的宏细观统一本构模型的建立 | 第102-113页 |
5.4.1 宏细观统一本构模型计算应力应变响应 | 第102-105页 |
5.4.2 耦合损伤宏细观统一本构模型计算应力应变响应 | 第105-113页 |
5.5 小结 | 第113-114页 |
第六章 全文总结 | 第114-117页 |
6.1 本文的工作及结论 | 第114-115页 |
6.2 今后工作的展望 | 第115-117页 |
参考文献 | 第117-127页 |
致谢 | 第127-128页 |
在学期间的研究成果及发表的学术论文 | 第128页 |
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