CN110069835B - 气膜孔多孔干涉的三维编织cmc的应力计算及失效判定方法 - Google Patents

气膜孔多孔干涉的三维编织cmc的应力计算及失效判定方法 Download PDF

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Abstract

本公开是关于一种气膜孔多孔干涉的三维编织CMC的应力计算及其失效判定方法。该气膜孔多孔干涉的三维编织CMC的应力计算方法包括：获取CMC编织参数与气膜孔几何特征；根据所述CMC编织参数，确定具有三维编织特征的第一CMC几何构型；根据所述气膜孔几何特征与所述第一CMC几何构型确定含气膜孔多孔干涉结构的第二CMC几何构型；对所述第二CMC几何构型进行离散化，并建立有限元模型；定义CMC材料本构，向所述有限元模型融入Hashin失效模型与渐进失效模型，并施加载荷和约束条件，计算输出模型应力。本公开提供的三维编织CMC的应力计算方法，能够对含气膜孔多孔干涉的三维编织CMC的应力进行精确计算。

Description

气膜孔多孔干涉的三维编织CMC的应力计算及失效判定方法
技术领域
本公开涉及航空发动机技术领域，具体而言，涉及一种基于气膜孔多孔干涉的三维编织CMC的应力计算及其失效判定方法。
背景技术
涡轮叶片是航空发动机一个重要的组件部分，不断提高的推重比使得涡轮叶片进口温度已达1800K～2000K，未来航空发动机涡轮叶片将在更高温度下工作，陶瓷基复合材料(CMC、ceramic matrix composite)将代替传统高温合金成为下一代涡轮转子叶片的主要材料以适应高温乃至超高温服役环境。
现有的CMC涡轮叶片表面一般情况下均具有气膜孔结构特征，气膜孔为涡轮叶片表面性形成了一层冷却气膜，以避免超高温对CMC涡轮叶片的损伤。气膜孔的存在破坏了材料的整体性和一致性，尤其是其小孔径和密布排列特征将导致涡轮叶片发生应力集中和多孔干涉效应，使得气膜孔孔周成为涡轮叶片失效的多发部位。
因此，准确评估气膜孔位置的应变成为CMC涡轮叶片成功实现工程应用的必要前提。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本公开的目的在于提供一种能够对含气膜孔多孔干涉的三维编织CMC的应力进行精确计算的方法。
根据本公开的一个方面，提供了一种气膜孔多孔干涉的三维编织CMC的应力计算方法。该计算方法包括：
获取CMC编织参数与气膜孔几何特征；
根据所述CMC编织参数，确定具有三维编织特征的第一CMC几何构型；
根据所述气膜孔几何特征与所述第一CMC几何构型确定含气膜孔多孔干涉结构的第二CMC几何构型；
对所述第二CMC几何构型进行离散化，并建立有限元模型；
定义CMC材料本构，向所述有限元模型融入Hashin失效模型与渐进失效模型，并施加载荷和约束条件，计算输出模型应力。
在本公开的一种示例性实施例中，根据所述CMC编织参数，确定具有三维编织特征的第一CMC几何构型，包括：
将所述编织参数代入Fortran程序获取纤维束几何参数；
通过三维造型软件建立纤维束几何构型；
根据布尔运算获取具有三维编织特征的所述第一CMC几何构型。
在本公开的一种示例性实施例中，根据所述气膜孔几何特征与所述第一CMC几何构型确定含气膜孔多孔干涉结构的第二CMC几何构型，包括：
根据所述气膜孔几何特征与所述第一CMC几何构型几何装配和删减确定含气膜孔多孔干涉结构的第二CMC几何构型。
在本公开的一种示例性实施例中，对所述第二CMC几何构型进行离散化，并建立有限元模型，包括：
将所述第二CMC几何构型导入分网软件离散化；
将离散化后的所述第二CMC几何构型导入有限元分析软件，输出有限元模型。
在本公开的一种示例性实施例中，所述Hashin失效模型包括：
纤维束轴向拉伸失效(σL≥0)，
Figure BDA0002017342590000021
纤维束轴向压缩失效(σL<0)，
Figure BDA0002017342590000022
纤维束径向拉伸剪切失效(σT+σZ≥0)，
Figure BDA0002017342590000031
纤维束径向压缩剪切失效(σT+σZ<0)，
Figure BDA0002017342590000032
式中：
Figure BDA0002017342590000033
和
Figure BDA0002017342590000034
是纤维束的轴向拉伸和压缩强度；
Figure BDA0002017342590000035
和
Figure BDA0002017342590000036
是纤维束径向拉伸和压缩强度；SLT、SLZ和STZ是LT、LZ和TZ的剪切强度，L、T、Z是纤维束的局部坐标系，其中L代表轴向，T和Z代表两个径向。
在本公开的一种示例性实施例中，所述渐进失效模型包括：
Figure BDA0002017342590000037
式中：D＝1-(1-df)(1-dm)v12v21；df表示纤维损伤的当前状态；dm表示基体损伤的当前状态；ds表示剪切损伤的当前状态；E1表示纤维轴向的弹性模量；E2表示纤维径向的弹性模量；G是剪切模量；v12和v21是泊松比。
根据本公开的另一个方面，提供了一种气膜孔多孔干涉的三维编织CMC的失效判定方法。该失效判定方法包括：
根据上述任一实施例所述的模型应力，采用最大应变失效准则进行失效判定；
若判定CMC失效，则输出CMC失效。
在本公开的一种示例性实施例中，所述失效判定方法还包括：
若判定CMC发生局部损伤，计算CMC的刚度退化量；
根据所述刚度退化量并通过有限元数值计算再次进行失效判定；
若判定CMC失效，则输出CMC失效；
若判定CMC发生局部损伤，重复上述步骤。
在本公开的一种示例性实施例中，所述失效判定方法还包括：
若判定材料无损伤，则继续施加预设载荷；
根据所述预设载荷，重新获取模型应力；
对所述模型应力进行失效判定；
若判定CMC失效，则输出CMC失效；
若判定材料无损伤，则重复上述步骤；
若判定CMC发生局部损伤，则上述的失效判定方法进行判定。
在本公开的一种示例性实施例中，所述最大应变失效准则为：
|ε1|≤εXT
|ε2|≤εYT
|γ12|≤γS
式中：ε1为轴向应变，ε2为径向应变，γ12为剪切应变，εXT为轴向极限应变，εYT为径向极限应变，γS为极限剪切应变。
本公开提供的气膜孔多孔干涉的三维编织CMC的应力计算方法，结合了三维造型技术和有限元法数值算法，建立含气膜孔多孔干涉的三维编织CMC有限元模型，通过定义Hashin失效模型和渐进失效模型建立CMC本构关系，准确计算含气膜孔多孔干涉结构的三维编织CMC的应力，为CMC涡轮叶片的设计提供参考，以及为CMC涡轮叶片的失效判定提供了应力数据。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本公开的一种实施例提供的气膜孔多孔干涉的三维编织CMC的应力计算方法步骤S110-S150的流程图；
图2为图1中步骤S120的详细流程图；
图3为本公开的一种实施例提供的气膜孔多孔干涉的三维编织CMC的失效判定方法步骤S210-S220的流程图；
图4本公开的一种实施例提供的气膜孔多孔干涉的三维编织CMC的失效判定方法步骤S230-S234的流程图；
图5本公开的一种实施例提供的气膜孔多孔干涉的三维编织CMC的失效判定方法步骤S240-S245的流程图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模糊。
用语“一个”、“一”、“该”和“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”、“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。
本示例实施方式中首先提供了一种基于气膜孔多孔干涉的三维编织CMC的应力计算方法方法。如图1所示，气膜孔多孔干涉的三维编织CMC的应力计算方法包括：
步骤S110、获取CMC编织参数与气膜孔几何特征；
步骤S120、根据CMC编织参数，确定具有三维编织特征的第一CMC几何构型；
步骤S130、根据气膜孔几何特征与第一CMC几何构型，确定含气膜孔多孔干涉结构的第二CMC几何构型；
步骤S140、对第二CMC几何构型进行离散化，并建立有限元模型；
步骤S150、定义CMC材料本构，向有限元模型融入Hashin失效模型与渐进失效模型，并施加载荷和约束条件，计算输出模型应力。
本公开提供的气膜孔多孔干涉的三维编织CMC的应力计算方法，结合了三维造型技术和有限元法数值算法，建立含气膜孔多孔干涉的三维编织CMC有限元模型，通过定义Hashin失效模型和渐进失效模型建立CMC本构关系，准确计算含气膜孔多孔干涉结构的三维编织CMC的应力，为CMC涡轮叶片的设计提供参考，以及为CMC涡轮叶片的失效判定提供了应力数据。
具体地，在步骤S120中：根据CMC编织参数，确定具有三维编织特征的第一CMC几何构型，如图2所示，包括：
步骤S121、述编织参数代入Fortran程序获取纤维束几何参数；
步骤S122、三维造型软件建立纤维束几何构型；
步骤S123、布尔运算获取具有三维编织特征的第一CMC几何构型，其中，三维造型软件可为Solidworks、UG等三维软件。
具体地，在步骤S130中：根据气膜孔几何特征与第一CMC几何构型确定含气膜孔多孔干涉结构的第二CMC几何构型，包括：
根据气膜孔几何特征与第一CMC几何构型几何装配和删减确定含气膜孔多孔干涉结构的第二CMC几何构型。
具体地，在步骤S140中：对第二CMC几何构型进行离散化，并建立有限元模型，包括：
步骤S141、将第二CMC几何构型导入分网软件离散化，其中，分网软件可为Hypermesh软件；
步骤S142、将离散化后的第二CMC几何构型导入有限元分析软件输出有限元模型。其中，有限元分析软件可为ABAQUS软件、ANSYS软件等。
具体地，Hashin失效模型包括：
纤维束轴向拉伸失效(σL≥0)，
Figure BDA0002017342590000061
纤维束轴向压缩失效(σL<0)，
Figure BDA0002017342590000071
纤维束径向拉伸剪切失效(σT+σz≥0)，
Figure BDA0002017342590000072
纤维束径向压缩剪切失效(σT+σZ<0)，
Figure BDA0002017342590000073
式中：
Figure BDA0002017342590000074
和
Figure BDA0002017342590000075
是纤维束的轴向拉伸和压缩强度；
Figure BDA0002017342590000076
和
Figure BDA0002017342590000077
是纤维束径向拉伸和压缩强度；SLT、SLZ和STZ是LT、LZ和TZ的剪切强度，L、T、Z是纤维束的局部坐标系，其中L代表轴向，T和Z代表两个径向。
具体地，渐进失效模型包括：
Figure BDA0002017342590000078
式中：D＝1-(1-df)(1-dm)v12v21；df表示纤维损伤的当前状态；dm表示基体损伤的当前状态；ds表示剪切损伤的当前状态；E1表示纤维轴向的弹性模量；E2表示纤维径向的弹性模量；G是剪切模量；v12和v21是泊松比。
本公开还提供了一种基于气膜孔多孔干涉的三维编织CMC的失效判定方法。如图3所示，该失效判定方法包括：
步骤S210、根据步骤S150确定模型应力，采用最大应变失效准则进行失效判定；
步骤S220、若判定CMC失效，则输出CMC失效。
其中，最大应变失效准则为：
|ε1|≤εXT
|ε2|≤εYT
|γ12|≤γS
式中：ε1为轴向应变，ε2为径向应变，γ12为剪切应变，εXT为轴向极限应变，εYT为径向极限应变，γS为极限剪切应变。
本公开提供的气膜孔多孔干涉的三维编织CMC的失效判定方法，能够准确对含气膜孔多孔干涉的三维编织CMC进行失效判定，准确评估了气膜孔位置的疲劳行为，为CMC涡轮叶片成功实现工程应用提供了基础。
如图4所示，气膜孔多孔干涉的三维编织CMC的失效判定方法还包括：
步骤S230、若判定CMC发生局部损伤，计算CMC的刚度退化量；
步骤S231、根据刚度退化量并通过有限元数值计算再次进行失效判定；
步骤S232、若判定CMC失效，则输出CMC失效；
步骤S233、若判定CMC发生局部损伤，重复步骤S230-步骤S233，直至判定CMC失效。
如图5所示，气膜孔多孔干涉的三维编织CMC的失效判定方法还包括：
步骤S240、若判定材料无损伤，则继续施加预设载荷；
步骤S241、根据预设载荷，重新获取模型应力；
步骤S242、对模型应力进行失效判定；
步骤S243、若判定CMC失效，则输出CMC失效；
步骤S244、若判定材料无损伤，则重复步骤240-步骤244，直至判定CMC失效发生局部损伤；
步骤S245、若判定CMC发生局部损伤，则采用步骤S230-步骤S233的失效判定方法进行判定，直至判定CMC失效。
需要说明的是，尽管在附图中以特定顺序描述了本公开中方法的各个步骤，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些步骤，或是必须执行全部所示的步骤才能实现期望的结果。附加的或备选的，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，以及/或者将一个步骤分解为多个步骤执行等。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员易于理解，这里描述的示例实施方式可以通过软件实现，也可以通过软件结合必要的硬件的方式来实现。因此，根据本公开实施方式的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中或网络上，包括若干指令以使得一台计算设备(可以是个人计算机、服务器、移动终端、或者网络设备等)执行根据本公开实施方式的方法。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (7)

1.一种气膜孔多孔干涉的三维编织CMC的应力计算方法，其特征在于，包括：
获取CMC编织参数与气膜孔几何特征；
根据所述CMC编织参数，确定具有三维编织特征的第一CMC几何构型；
根据气膜孔几何特征与所述第一CMC几何构型，确定含气膜孔多孔干涉结构的第二CMC几何构型；
对所述第二CMC几何构型进行离散化，并建立有限元模型；
定义CMC材料本构，向所述有限元模型融入Hashin失效模型与渐进失效模型，并施加载荷和约束条件，计算输出模型应力。
2.根据权利要求1所述的应力计算方法，其特征在于，根据所述CMC编织参数，确定具有三维编织特征的第一CMC几何构型，包括：
将所述编织参数代入Fortran程序获取纤维束几何参数；
通过三维造型软件建立纤维束几何构型；
根据布尔运算获取具有三维编织特征的所述第一CMC几何构型。
3.根据权利要求1所述的应力计算方法，其特征在于，根据所述气膜孔几何特征与所述第一CMC几何构型确定含气膜孔多孔干涉结构的第二CMC几何构型，包括：
根据所述气膜孔几何特征与所述第一CMC几何构型几何装配和删减确定含气膜孔多孔干涉结构的第二CMC几何构型。
4.根据权利要求1所述的应力计算方法，其特征在于，对所述第二CMC几何构型进行离散化，并建立有限元模型，包括：
将所述第二CMC几何构型导入分网软件离散化；
将离散化后的所述第二CMC几何构型导入有限元分析软件，输出有限元模型。
5.根据权利要求1所述的应力计算方法，其特征在于，所述渐进失效模型包括：
Figure FDA0003669418090000021
式中：D＝1-(1-df)(1-dm)ν12v21；df表示纤维损伤的当前状态；dm表示基体损伤的当前状态；ds表示剪切损伤的当前状态；E1表示纤维轴向的弹性模量；E2表示纤维径向的弹性模量；G是剪切模量；v12和ν21是泊松比。
6.一种气膜孔多孔干涉的三维编织CMC的失效判定方法，其特征在于，包括：
根据权利要求1-5任一项所述的模型应力，采用最大应变失效准则进行失效判定；
若判定CMC失效，则输出CMC失效。
7.根据权利要求6所述的失效判定方法，其特征在于，所述最大应变失效准则为：
|ε1|≤εXT
|ε2|≤εYT
|γ12|≤γS
式中：ε1为轴向应变，ε2为径向应变，γ12为剪切应变，εXT为轴向极限应变，εYT为径向极限应变，γS为极限剪切应变。
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三维整体编织C_C复合材料预制体结构仿真与弹性性能预测;张美忠;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(博士)工程科技Ⅰ辑(月刊)》;20080315(第03期);C031-50 *
含孔复合材料层合板静拉伸三维逐渐损伤分析;王丹勇等;《力学学报》;20051130;第37卷(第6期);788-795 *
基于多尺度方法的复合材料层合板结构失效机理研究;陈滨琦;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(博士)工程科技Ⅱ辑(月刊)》;20171115(第11期);C031-50 *
碳_碳复合材料疲劳寿命预测模型与分析方法研究;朱元林;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(博士)工程科技Ⅰ辑(月刊)》;20140615(第06期);C031-50 *

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