CN113408169A - 一种高温热失配条件下陶瓷基复合材料与高温合金机械连接结构极限失效载荷的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温热失配条件下陶瓷基复合材料与高温合金机械连接结构极限失效载荷的设计方法。采用Fortran语言将非线性本构模型、失效准则及材料退化模型编写成用户子程序UMAT文件，并嵌入到ABAQUS有限元软件中实现高温拉伸条件下陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓紧固件的渐进损伤分析，获得了高温热失配条件下C/SiC陶瓷基复合材料与高温合金螺栓紧固件极限失效载荷及其对应的初始及最终装配预紧力及间隙。与现有的陶瓷基复合材料连接结构实验表征手段相比较，该预测方法快速、高效，能够显著节省试验耗时及成本，可以推广应用于航空航天、军事国防、能源化工等诸多技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种高温热失配条件下陶瓷基复合材料与高温合金机械连接结构极限失效载荷的设计方法，属于陶瓷基复合材料结构设计领域。
背景技术
C/SiC陶瓷基复合材料具有高比强度、高比模量、低密度、断裂韧性适中、优异的抗氧化和耐高温性能等特点，被广泛应用于新型高马赫数飞行器热防护系统和推进系统组件中，其较传统的热防护金属材料具有无可比拟的优势。由于编织工艺限制，制造大型复杂的陶瓷基复合材料结构件困难而又昂贵，如何实现复合材料与金属材料小型零部件的之间的连接成为亟待解决的关键问题。机械连接技术由于其简易性、高载荷传递能力和可靠性、经济性引起了极大的关注。当C/SiC复合材料螺栓连接结构处于高温服役状态下时，陶瓷基复合材料与金属热膨胀系数不匹配会加剧螺钉孔周的热应力集中，改变连接结构的初始装配参数(螺栓预紧力、钉孔配合精度等)，进而影响螺栓连接结构的承载能力及破坏方式。所以，高温热失配条件下C/SiC复合材料混合螺栓连接结构承载能力设计对于优化连接结构设计形式、减缓热应力水平、提高连接强度具有重要意义。从国内外研究现状及文献检索情况来看，针对螺栓紧固件对连接结构力学性能的影响研究大多集中于纤维增强树脂基复合材料机械连接结构，而关于高温热失配条件下陶瓷基复合材料螺栓连接结构力学行为及失效模式的相关研究还很匮乏。对于陶瓷基复合材料连接结构高温力学性能的传统实验研究需要消耗大量的资金，并且受制于实验设备和实验技术的制约。因此，通过有限元模拟对高温热失配条件下陶瓷基复合材料混合机械连接结构的承载能力进行设计对提高结构的承载效率、保障连接结构的服役安全性具有重要的工程实际意义。
发明内容
本发明的目的是提出一种高温热失配条件下陶瓷基复合材料与高温合金机械连接结构极限失效载荷的设计方法，以解决现有技术中存在的问题。
一种高温热失配条件下陶瓷基复合材料与高温合金机械连接结构极限失效载荷的设计方法，所述设计方法包括以下步骤：
S100、根据陶瓷基复合材料与高温合金凸头或者沉头螺栓紧固件的几何参数、初始装配参数和环境温度，采用ABAQUS软件建立陶瓷基复合材料与高温合金凸头或者沉头螺栓紧固件高温单轴拉伸加载条件下三维有限元分析模型；
S200、选定陶瓷基复合材料双线性或者非线性本构模型、失效准则及退化模型，建立C/SiC复合材料结构的渐进损伤分析模型，并进行应力分析，当在第k增量步时，开始调取单元积分点的应力σk；
S300、将陶瓷基复合材料单元积分点的应力代入Tsai-Wu失效准则进行判断，如果满足失效准则，则材料单元点发生失效，根据退化模型进行材料刚度退化；如果没有满足失效准则，则材料无损伤，此时材料刚度不变Ck+1＝Ck，更新应力σk+1＝σk+Ck+1·Δεk；
S400、判断复合材料结构中的损伤是否导致结构发生破坏；若结构没有发生破坏，增大力学载荷增量，返回S200；若结构发生破坏，则结构失去承载能力，停止分析，获得C/SiC陶瓷基复合材料与高温合金螺栓紧固件剩余预紧力及装配间隙，并获得对应环境温度(如1000摄氏度)下的失效载荷；
S500、修改环境温度，重复S200至S400，获得高温热失配条件下C/SiC陶瓷基复合材料与高温合金螺栓紧固件在对应环境温度范围内的极限失效载荷及其对应的初始及最终装配预紧力及间隙。
进一步的，在S100中，所述建立三维有限元分析模型的步骤为：
S110、根据陶瓷基复合材料与高温合金凸头或者沉头螺栓紧固件的几何参数，采用ABAQUS软件建立陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓紧固件三维几何模型；
S120、采用八结点线性缩减积分六面体单元C3D8R并设置增强的沙漏控制对结构进行结构化网格划分；
S130、根据高温合金板、复合材料板、螺栓之间的接触关系，在ABAQUS中定义5组接触对，在相互作用属性中对各接触面添加摩擦系数；
S140、使用ABAQUS中的Bolt load命令在螺栓杆的横截面上直接施加轴向预紧力，通过设置钉孔之间接触对的装配值施加钉孔间隙量，并确保高温时预紧力不会降低到0N以下，整个连接结构施加均匀的高温温度载荷；
S150、对高温合金板的端部所有方向施加固支约束，对陶瓷基复合材料板端部的X方向施加力学载荷，并约束另两个方向的位移。
进一步的，在S300中，应用陶瓷基复合材料失效准则预测复合材料失效状态的实现过程为：
S301、读取陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓连接结构复合材料板的单元积分点应力σk；
S302、将应力值代入改进的三维Hashin失效准则与Ye分层失效准则进行渐进损伤分析判断C/SiC复合材料单元点的失效，强度准则的具体形式如下：
(1)基体拉伸断裂失效(σ22＞0)：
(σ22/YT)2+(σ12/S12)2+(σ23/S23)2≥1 (1)
(2)基体压缩破裂失效(σ22＜0)：
(σ22/YC)2+(σ12/S12)2+(σ23/S23)2≥1 (2)
(3)纤维拉伸失效(σ11＞0)：
(σ11/XT)2+(σ12/S12)2+(σ13/S13)2≥1 (3)
(4)基体拉伸断裂失效(σ11＜0)：
(σ11/XC)2≥1 (4)
(5)纤维-基体剪切失效(σ11＜0)：
(σ11/XC)2+(σ12/S12)2+(σ13/S13)2≥1 (5)
(6)纤维-基体拉伸脱层失效(σ33＞0)：
(σ33/ZT)2+(σ13/S13)2+(σ23/S23)2≥1 (6)
(7)纤维-基体压缩脱层失效(σ33＜0)：
(σ33/ZC)2+(σ13/S13)2+(σ23/S23)2≥1 (7)
式中，σij(i,j＝1,2,3)为结构所受应力，XT，XC，YT，YC，ZT，ZC，S12，S13，S23为材料强度参数，X、Y、Z表示1、2、3方向的拉伸或者压缩强度，S表示剪切强度，下标T表示拉伸，下标C表示压缩；
S303、更新单元失效状态变量。
进一步的，在S300中，根据退化模型对失效材料进行材料刚度退化的实现过程为：
S311、当材料单元被判定失效后认定其各个方向上的刚度值退化，其退化刚度为：
(1)基体拉伸断裂失效：
E'22＝0.2·E22，G'12＝0.2·G12,G'23＝0.2·G23 (8)
(2)基体压缩破裂失效(σ22＜0)：
E'22＝0.4·E22，G'12＝0.4·G12,G'23＝0.4·G23 (9)
(3)纤维拉伸失效(σ11＞0)：
E'11＝0.07·E11 (10)
(4)基体拉伸断裂失效(σ11＜0)：
E'11＝0.07·E11 (11)
(5)纤维-基体剪切失效(σ11＜0)：
G'12＝0，ν'12＝0 (12)
(6)纤维-基体拉伸脱层失效(σ33＞0)：
E'33＝0，G'23＝0，G'13＝0，ν'13＝0，ν'23＝0 (13)
(7)纤维-基体压缩脱层失效(σ33＜0)：
E'33＝0，G'23＝0，G'13＝0，ν'13＝0，ν'23＝0 (14)
S312、更新材料刚度矩阵，Ck+1＝Cd，其中C代表损伤后材料刚度；
S313、更新损伤材料的应力σk+1＝Ck+1·(εk+Δεk)，其中，εk为第k增量步的应变，Δεk为应变增量；
S314、转到S500。
本发明的有益效果为：本发明提出了一种高温热失配条件下陶瓷基复合材料与高温合金机械连接结构极限失效载荷设计方法，采用Fortran语言将非线性本构模型、失效准则及材料退化模型编写成用户子程序UMAT文件，并嵌入到ABAQUS有限元软件中实现高温拉伸条件下陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓紧固件的渐进损伤分析，获得了高温热失配条件下C/SiC陶瓷基复合材料与高温合金螺栓紧固件极限失效载荷及其对应的初始及最终装配预紧力及间隙。与现有的陶瓷基复合材料连接结构实验表征手段相比较，该预测方法快速、高效，能够显著节省试验耗时及成本，摆脱昂贵的试验设备及复杂的试验环节的制约，且该方法具有一定的通用性，为高超声速飞行器陶瓷基复合材料机械连接结构的结构设计及强度预测提供重要的技术支持，可以推广应用于航空航天、军事国防、能源化工等诸多技术领域。
附图说明
图1是陶瓷基复合材料与高温合金凸头螺栓连接结构整体示意图；
图2是陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓连接结构整体示意图；
图3是陶瓷基复合材料与高温合金螺栓连接结构渐进损伤分析流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种高温热失配条件下陶瓷基复合材料与高温合金机械连接结构极限失效载荷的设计方法，所述设计方法包括以下步骤：
S100、根据陶瓷基复合材料与高温合金凸头或者沉头螺栓紧固件的几何参数、初始装配参数和环境温度，采用ABAQUS软件建立陶瓷基复合材料与高温合金凸头或者沉头螺栓紧固件高温单轴拉伸加载条件下三维有限元分析模型；
S200、选定陶瓷基复合材料双线性或者非线性本构模型、失效准则及退化模型，建立C/SiC复合材料结构的渐进损伤分析模型，并进行应力分析，当在第k增量步时，开始调取单元积分点的应力σk；
S300、由于高温合金的屈服强度远高于陶瓷基复合材料，因此螺钉连接结构的失效过程主要由复合材料的性能决定，因此在有限元分析中暂不考虑高温合金的塑性和破坏，材料处于弹性变形阶段。将陶瓷基复合材料单元积分点的应力代入Tsai-Wu失效准则进行判断，如果满足失效准则，则材料单元点发生失效，根据退化模型进行材料刚度退化；如果没有满足失效准则，则材料无损伤，此时材料刚度不变Ck+1＝Ck，更新应力σk+1＝σk+Ck+1·Δεk；
S400、判断复合材料结构中的损伤是否导致结构发生破坏；若结构没有发生破坏，增大力学载荷增量，返回S200；若结构发生破坏，则结构失去承载能力，停止分析，获得C/SiC陶瓷基复合材料与高温合金螺栓紧固件剩余预紧力及装配间隙，并获得对应环境温度下的失效载荷；
S500、修改环境温度，重复S200至S400，获得高温热失配条件下C/SiC陶瓷基复合材料与高温合金螺栓紧固件在对应环境温度范围内的极限失效载荷及其对应的初始及最终装配预紧力及间隙。
进一步的，在S100中，所述建立三维有限元分析模型的步骤为：
S110、根据陶瓷基复合材料与高温合金凸头或者沉头螺栓紧固件的几何参数，采用ABAQUS软件建立陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓紧固件三维几何模型；
S120、采用八结点线性缩减积分六面体单元C3D8R并设置增强的沙漏控制对结构进行结构化网格划分；
S130、根据高温合金板、复合材料板、螺栓之间的接触关系，在ABAQUS中定义5组接触对，在相互作用属性中对各接触面添加摩擦系数；
S140、使用ABAQUS中的Boltload命令在螺栓杆的横截面上直接施加轴向预紧力，通过设置钉孔之间接触对的装配值施加钉孔间隙量，并确保高温时预紧力不会降低到0N以下，整个连接结构施加均匀的高温温度载荷；
S150、对高温合金板的端部所有方向施加固支约束，对陶瓷基复合材料板端部的X方向施加力学载荷，并约束另两个方向的位移。
进一步的，在S300中，应用陶瓷基复合材料失效准则预测复合材料失效状态的实现过程为：
S301、读取陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓连接结构复合材料板的单元积分点应力σk；
S302、将应力值代入改进的三维Hashin失效准则与Ye分层失效准则进行渐进损伤分析判断C/SiC复合材料单元点的失效，强度准则的具体形式如下：
(1)基体拉伸断裂失效(σ22＞0)：
(σ22/YT)2+(σ12/S12)2+(σ23/S23)2≥1 (1)
(2)基体压缩破裂失效(σ22＜0)：
(σ22/YC)2+(σ12/S12)2+(σ23/S23)2≥1 (2)
(3)纤维拉伸失效(σ11＞0)：
(σ11/XT)2+(σ12/S12)2+(σ13/S13)2≥1 (3)
(4)基体拉伸断裂失效(σ11＜0)：
(σ11/XC)2≥1 (4)
(5)纤维-基体剪切失效(σ11＜0)：
(σ11/XC)2+(σ12/S12)2+(σ13/S13)2≥1 (5)
(6)纤维-基体拉伸脱层失效(σ33＞0)：
(σ33/ZT)2+(σ13/S13)2+(σ23/S23)2≥1 (6)
(7)纤维-基体压缩脱层失效(σ33＜0)：
(σ33/ZC)2+(σ13/S13)2+(σ23/S23)2≥1 (7)
式中，σij(i,j＝1,2,3)为结构所受应力，XT，XC，YT，YC，ZT，ZC，S12，S13，S23为材料强度参数，X、Y、Z表示1、2、3方向的拉伸或者压缩强度，S表示剪切强度，下标T表示拉伸，下标C表示压缩；
S303、更新单元失效状态变量。
进一步的，在S300中，根据退化模型对失效材料进行材料刚度退化的实现过程为：
S311、当材料单元被判定失效后认定其各个方向上的刚度值退化，其退化刚度为：
(1)基体拉伸断裂失效：
E'22＝0.2·E22，G'12＝0.2·G12,G'23＝0.2·G23 (8)
(2)基体压缩破裂失效(σ22＜0)：
E'22＝0.4·E22，G'12＝0.4·G12,G'23＝0.4·G23 (9)
(3)纤维拉伸失效(σ11＞0)：
E'11＝0.07·E11 (10)
(4)基体拉伸断裂失效(σ11＜0)：
E'11＝0.07·E11 (11)
(5)纤维-基体剪切失效(σ11＜0)：
G'12＝0，ν'12＝0 (12)
(6)纤维-基体拉伸脱层失效(σ33＞0)：
E'33＝0，G'23＝0，G'13＝0，ν'13＝0，ν'23＝0 (13)
(7)纤维-基体压缩脱层失效(σ33＜0)：
E'33＝0，G'23＝0，G'13＝0，ν'13＝0，ν'23＝0 (14)
S312、更新材料刚度矩阵，Ck+1＝Cd，其中C代表损伤后材料刚度；
S313、更新损伤材料的应力σk+1＝Ck+1·(εk+Δεk)，其中，εk为第k增量步的应变，Δεk为应变增量；
S314、转到S500。
以上所述仅是一种高温热失配条件下陶瓷基复合材料与高温合金机械连接结构极限失效载荷设计方法的优选实施方式，一种高温热失配条件下陶瓷基复合材料与高温合金机械连接结构极限失效载荷设计方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些变化、修改、替换和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种高温热失配条件下陶瓷基复合材料与高温合金机械连接结构极限失效载荷的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：
S100、根据陶瓷基复合材料与高温合金凸头或者沉头螺栓紧固件的几何参数、初始装配参数和环境温度，采用ABAQUS软件建立陶瓷基复合材料与高温合金凸头或者沉头螺栓紧固件高温单轴拉伸加载条件下三维有限元分析模型；
S200、选定陶瓷基复合材料双线性或者非线性本构模型、失效准则及退化模型，建立C/SiC复合材料结构的渐进损伤分析模型，并进行应力分析，当在第k增量步时，开始调取单元积分点的应力σk；
S300、将陶瓷基复合材料单元积分点的应力代入Tsai-Wu失效准则进行判断，如果满足失效准则，则材料单元点发生失效，根据退化模型进行材料刚度退化；如果没有满足失效准则，则材料无损伤，此时材料刚度不变Ck+1＝Ck，更新应力σk+1＝σk+Ck+1·Δεk，Δεk为应变增量；
S400、判断复合材料结构中的损伤是否导致结构发生破坏；若结构没有发生破坏，增大力学载荷增量，返回S200；若结构发生破坏，则结构失去承载能力，停止分析，获得C/SiC陶瓷基复合材料与高温合金螺栓紧固件剩余预紧力及装配间隙，并获得对应环境温度下的失效载荷；
S500、修改环境温度，重复S200至S400，获得高温热失配条件下C/SiC陶瓷基复合材料与高温合金螺栓紧固件在对应环境温度范围内的极限失效载荷及其对应的初始及最终装配预紧力及间隙。
2.根据权利要求1所述的一种高温热失配条件下陶瓷基复合材料与高温合金机械连接结构极限失效载荷的设计方法，其特征在于，在S100中，所述建立三维有限元分析模型的步骤为：
S110、根据陶瓷基复合材料与高温合金凸头或者沉头螺栓紧固件的几何参数，采用ABAQUS软件建立陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓紧固件三维几何模型；
S120、采用八结点线性缩减积分六面体单元C3D8R并设置增强的沙漏控制对结构进行结构化网格划分；
S130、根据高温合金板、复合材料板、螺栓之间的接触关系，在ABAQUS中定义5组接触对，在相互作用属性中对各接触面添加摩擦系数；
S140、使用ABAQUS中的Boltload命令在螺栓杆的横截面上直接施加轴向预紧力，通过设置钉孔之间接触对的装配值施加钉孔间隙量，并确保高温时预紧力不会降低到0N以下，整个连接结构施加均匀的高温温度载荷；
S150、对高温合金板的端部所有方向施加固支约束，对陶瓷基复合材料板端部的X方向施加力学载荷，并约束另两个方向的位移。
3.根据权利要求1所述的一种高温热失配条件下陶瓷基复合材料与高温合金机械连接结构极限失效载荷的设计方法，其特征在于，在S300中，应用陶瓷基复合材料失效准则预测复合材料失效状态的实现过程为：
S301、读取陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓连接结构复合材料板的单元积分点应力σk；
S302、将应力值代入改进的三维Hashin失效准则与Ye分层失效准则进行渐进损伤分析判断C/SiC复合材料单元点的失效，强度准则的具体形式如下：
(1)基体拉伸断裂失效(σ22＞0)：
(σ22/YT)2+(σ12/S12)2+(σ23/S23)2≥1 (1)
(2)基体压缩破裂失效(σ22＜0)：
(σ22/YC)2+(σ12/S12)2+(σ23/S23)2≥1 (2)
(3)纤维拉伸失效(σ11＞0)：
(σ11/XT)2+(σ12/S12)2+(σ13/S13)2≥1 (3)
(4)基体拉伸断裂失效(σ11＜0)：
(σ11/XC)2≥1 (4)
(5)纤维-基体剪切失效(σ11＜0)：
(σ11/XC)2+(σ12/S12)2+(σ13/S13)2≥1 (5)
(6)纤维-基体拉伸脱层失效(σ33＞0)：
(σ33/ZT)2+(σ13/S13)2+(σ23/S23)2≥1 (6)
(7)纤维-基体压缩脱层失效(σ33＜0)：
(σ33/ZC)2+(σ13/S13)2+(σ23/S23)2≥1 (7)式中，σij(i,j＝1,2,3)为结构在1，2，3方向上所受应力，XT，XC，YT，YC，ZT，ZC，S12，S13，S23为材料强度参数，X、Y、Z表示1、2、3方向的拉伸或者压缩强度，S表示剪切强度，下标T表示拉伸，下标C表示压缩；
S303、更新单元失效状态变量。
4.根据权利要求1所述的一种高温热失配条件下陶瓷基复合材料与高温合金机械连接结构极限失效载荷的设计方法，其特征在于，在S300中，根据退化模型对失效材料进行材料刚度退化的实现过程为：
S311、当材料单元被判定失效后认定其各个方向上的刚度值退化，其退化刚度为：
(1)基体拉伸断裂失效：
E′22＝0.2·E22，G′12＝0.2·G12,G′23＝0.2·G23 (8)
(2)基体压缩破裂失效(σ22＜0)：
E′22＝0.4·E22，G′12＝0.4·G12,G′23＝0.4·G23 (9)
(3)纤维拉伸失效(σ11＞0)：
E′11＝0.07·E11 (10)
(4)基体拉伸断裂失效(σ11＜0)：
E′11＝0.07·E11 (11)
(5)纤维-基体剪切失效(σ11＜0)：
G′12＝0，ν′12＝0 (12)
(6)纤维-基体拉伸脱层失效(σ33＞0)：
E′33＝0，G′23＝0，G′13＝0，ν′13＝0，ν′23＝0 (13)
(7)纤维-基体压缩脱层失效(σ33＜0)：
E′33＝0，G′23＝0，G′13＝0，ν′13＝0，ν′23＝0 (14)
S312、更新材料刚度矩阵，Ck+1＝Cd，其中C代表损伤后材料刚度，上角标d表示损伤；
S313、更新损伤材料的应力σk+1＝Ck+1·(εk+Δεk)，其中，εk为第k增量步的应变，Δεk为应变增量；
S314、转到S500。
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| 阙权庆: ""C/SiC复合材料螺栓连接结构热力耦合及拉伸强度分析"", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》 * |
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