长纤维增强陶瓷基复合材料疲劳损伤模型与寿命预测

来源 :南京航空航天大学 | 被引量 : 22次 | 上传用户:owenming521
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纤维增强陶瓷基复合材料具有耐高温、耐腐蚀、高比强和高比模等优点,是提高航空发动机推重比的关键材料。为确保陶瓷基复合材料在航空发动机部件上可靠的使用,有必要开展陶瓷基复合材料拉伸和疲劳行为的研究。本文对单向、正交铺设、2维和2.5维编织陶瓷基复合材料单轴拉伸行为、疲劳迟滞行为、界面参数估计和疲劳寿命预测开展了深入研究。发展了预测陶瓷基复合材料单轴拉伸应力?应变曲线的细观力学方法。采用剪滞模型描述复合材料出现损伤后的细观应力场,通过损伤模型确定拉伸载荷下细观损伤参量演化,将剪滞模型与损伤模型相结合预测了陶瓷基复合材料单轴拉伸应力?应变曲线。与单向、正交铺设、2维和2.5维编织陶瓷基复合材料单轴拉伸试验数据进行了对比,各损伤阶段的应力?应变曲线与试验数据相吻合。提出了一种新的预测陶瓷基复合材料疲劳迟滞回线的细观力学模型。基于卸载/重新加载时纤维相对基体滑移的损伤机理,采用断裂力学方法确定了卸载界面反向滑移长度和重新加载界面新滑移长度,分析了不同界面滑移情况下的疲劳迟滞回线。与单向、正交铺设、2维和2.5维编织陶瓷基复合材料疲劳迟滞试验数据进行了对比,预测的迟滞回线形状和位置与试验数据相吻合。提出了一种预测陶瓷基复合材料疲劳载荷下界面剪应力的方法。建立了迟滞耗散能与界面剪应力之间的关系,通过将试验测量的不同循环数下的迟滞耗散能与理论计算值相对比,获得了室温和高温环境下单向、正交铺设、2维和2.5维编织陶瓷基复合材料疲劳载荷下的界面剪应力。提出了一种基于界面磨损机理的陶瓷基复合材料疲劳寿命预测方法。将纤维随机失效模型与界面剪应力衰退模型、纤维强度衰退模型相结合,确定了疲劳载荷下纤维随循环失效过程,预测了室温和高温环境下单向、正交铺设、2维和2.5维编织陶瓷基复合材料疲劳寿命S-N曲线,与试验数据相吻合。开展了室温和高温800°C空气环境下单向和[0/90/0/90/0/90/0/90/0]-C/SiC陶瓷基复合材料单轴拉伸试验、加卸载拉伸试验和拉?拉疲劳试验。获得了室温和高温800°C空气环境中C/SiC的拉伸和疲劳性能,揭示了其拉伸和疲劳损伤机理,预测了其单轴拉伸应力?应变曲线、疲劳迟滞回线、室温和高温疲劳载荷下的界面剪应力以及疲劳寿命S-N曲线。
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