CN117804896A - 一种陶瓷基复合材料细观非周期性结构强度分析方法 - Google Patents
一种陶瓷基复合材料细观非周期性结构强度分析方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117804896A CN117804896A CN202311705412.0A CN202311705412A CN117804896A CN 117804896 A CN117804896 A CN 117804896A CN 202311705412 A CN202311705412 A CN 202311705412A CN 117804896 A CN117804896 A CN 117804896A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- composite material
- fiber bundle
- ceramic matrix
- finite element
- aperiodic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000011153 ceramic matrix composite Substances 0.000 title claims abstract description 66
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 131
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 95
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 33
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 46
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 28
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 14
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 14
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 8
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 5
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 claims description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims 5
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 abstract description 8
- 238000002591 computed tomography Methods 0.000 abstract description 5
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000750 progressive effect Effects 0.000 abstract description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 abstract description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 239000011165 3D composite Substances 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000001493 electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000012067 mathematical method Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 239000002296 pyrolytic carbon Substances 0.000 description 1
- 239000011226 reinforced ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 238000007619 statistical method Methods 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000009864 tensile test Methods 0.000 description 1
- 238000009941 weaving Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
本发明提供一种陶瓷基复合材料细观非周期性结构强度分析方法，首先基于X射线计算机断层扫描得到的图像建立准确描述陶瓷基复合材料细观非周期性结构不同部位纱线结构差异的细观几何模型和有限元模型。随后采用试验和公式得到纤维束复合材料的力学性能，以表征纱线力学性能。最后施加相应约束和载荷，采用渐进损伤分析方法计算获得陶瓷基复合材料细观非周期性结构的载荷‑位移响应。当载荷随着施加位移的增加持续下降时，即认为结构完全失效，此时的最大载荷为结构的失效载荷。本发明克服了目前常用的宏观均匀化方法无法代表细观非周期性结构不同区域宏观力学性能的问题，可准确预测此类先进结构的强度。
Description
技术领域
本发明属于复合材料结构强度分析技术领域，具体涉及一种基于纤维束为主承载单元的陶瓷基复合材料细观非周期性结构强度分析方法。
背景技术
连续纤维增强陶瓷基复合材料具有比刚度大、比强度高、耐高温、耐腐蚀、密度低等诸多优点，在航空发动机热端部件上具有广泛的应用前景。随着制备工艺的发展，整体仿形编织技术解决了复杂异形结构净尺寸成型的难题，但也导致了此类结构不同部位的纱线结构并不一致，即细观非周期性。细观非周期性意味着有限组参数无法表征结构中所有的材料性能。对于细观非周期性结构，细观结构随所处位置持续变化，导致材料宏观性能也持续变化。目前常用的通过实验或模拟得到材料整体宏观性能的宏观均匀化方法不再适用于上述结构，无法对陶瓷基复合材料细观非周期性结构进行准确的强度分析，阻碍了此类先进结构的进一步应用。准确评估结构的力学性能对于结构的设计和应用至关重要。因此，针对陶瓷基复合材料细观非周期性结构的强度分析方法是本技术领域一项重要且难以解决的关键技术。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本发明提出了一种陶瓷基复合材料细观非周期性结构强度分析方法，基于纤维束为主承载单元，以满足针对细观非周期性结构性能分析的需求。以下对本发明内容进行进一步的阐述。
一种陶瓷基复合材料细观非周期性结构强度分析方法，包括如下步骤：
步骤一，建立陶瓷基复合材料细观非周期性结构的细观几何模型：
步骤二，对步骤一中的细观几何模型进行网格划分，建立陶瓷基复合材料细观非周期性结构的细观有限元模型，并建立辅助结构有限元模型；
步骤三，获取陶瓷基复合材料细观非周期性结构的纤维束复合材料的力学性能；
步骤四，将步骤三中的纤维束复合材料的力学性能赋予到步骤二中的细观有限元模型中，通过辅助结构有限元模型对细观有限元模型施加约束及初始位移载荷；
步骤五，施加位移载荷，求解并记录步骤四中的细观有限元模型中的固定端支反力；
步骤六，依据失效准则及固定端支反力的计算结果，判断细观有限元模型中的纱线单元是否失效；
步骤七，继续施加位移载荷，累计步骤六中的纱线单元失效最终造成陶瓷基复合材料细观非周期性结构的整体失效，最大载荷即为陶瓷基复合材料细观非周期性结构的失效载荷。
进一步的，所述的步骤一中，陶瓷基复合材料细观非周期性结构由相互交织的经向和纬向的纱线构成，所述的陶瓷基复合材料细观非周期性结构的不同区域的纱线结构不同，通过电子显微镜观测可见所述的纱线与纤维束复合材料具有相同的微观组分，即所述的纱线即为纤维束复合材料，所述的纤维束复合材料由纤维、包裹在纤维外侧的基体及基体与纤维之间的界面组成，使用X射线计算机断层扫描陶瓷基复合材料细观非周期性结构，再根据经向纱线和纬向纱线的走向，分别建立每一根纱线的几何模型，将所有的纱线几何模型组合在一起构成所述的陶瓷基复合材料细观非周期性结构的细观几何模型。
进一步的，所述的步骤二中，在有限元分析软件中对步骤一所述的陶瓷基复合材料细观非周期性结构的细观几何模型进行网格划分，建立陶瓷基复合材料细观非周期性结构的细观有限元模型，将所述细观有限元模型中的所有单元称为纱线单元，以每一根纱线的走向为主方向对所述的细观有限元模型中的所有纱线单元赋予单元主方向。
步骤二中所述的辅助结构有限元模型为陶瓷基复合材料细观非周期性结构的夹具有限元模型，在夹具与细观非周期性结构接触处设置接触。
进一步的，所述的步骤三中，通过试验和公式计算获得所述的纤维束复合材料的力学性能，沿纤维束复合材料走向方向为纵向方向，垂直于纤维束复合材料走向方向分别为横向和厚度方向，对所述的纤维束复合材料展开拉伸试验并获得纤维束复合材料沿纵向的应力-应变曲线，所述的纤维束复合材料的制备材料和制备工艺与步骤一中陶瓷基复合材料细观非周期性结构中的纤维束复合材料完成相同，纤维束复合材料的平均应变等效于未损坏纤维束复合材料的平均应变/>即：
当纤维束复合材料的基体与纤维之间的界面完全脱粘时，平均应变表示如下：
其中，Ef为纤维纵向弹性模量，L为基体裂纹间距，Vf为纤维体积分数，σf为纤维纵向应力，σf0为纤维束复合材料未损坏时的纵向应力，σ为纤维束复合材料的纵向应力，rf为纤维平均半径，x为界面滑移距离，τ为界面剪切应力，d为脱粘区域的长度，αf为纤维的热膨胀系数，αc为纤维束复合材料的热膨胀系数，△T是室温和复合材料制备温度的差值，
其中，L、σf0、d、αc的值由下述等式得到：
Ec＝VfEf+EmVm，
其中，D为基体裂纹密度，Dsat是基体达到裂纹饱和时的最终密度，和mm是统计参数，Ec为纤维束复合材料纵向弹性模量，Em为基体弹性模量，αm为基体的热膨胀系数，Vm为基体的体积分数，Em为基体的弹性模量，
纤维束复合材料在其他方向上的弹性常数分别表示为：
其中E22表示纤维束复合材料横向的弹性模量，E33表示纤维束复合材料厚度方向的弹性模量，表示纤维横向的弹性模量，v12、v13、v23为纤维束复合材料三方向泊松比，v12表示1方向的单位应变所引起的2方向的应变，v13表示1方向的单位应变所引起的3方向的应变，v23表示2方向的单位应变所引起的3方向的应变，/>为增强纤维泊松比，vm为基体泊松比；1方向为纵向，2方向为横向，3方向为厚度方向，
G12、G13、G23为纤维束复合材料三个方向剪切模量，分别表示1-2平面、1-3平面、2-3平面的切应力与切应变之比，为增强纤维剪切模量，Gm为基体剪切模量。
进一步的，所述的步骤四中，将步骤三中试验和计算所得的纤维复合材料的力学性能赋予到步骤二中所述的陶瓷基复合材料细观非周期性结构的细观有限元模型中所有的纱线单元，并对夹具有限元模型设置相应的材料参数，施加初始位移载荷dL。
进一步的，所述的步骤五中，将所述的细观有限元模型在同一位移载荷下前后两次迭代计算得到的支反力结果进行比较，如果差值小于预定值，则判定在该位移载荷下计算结果收敛，如果差值大于预定值，则判断纱线单元是否发生损伤，数据统计为纱线单元的应变计算结果。
进一步的，所述的步骤六中，根据步骤五中获取的纱线单元的应变计算结果，若纱线单元完全失效，则材料刚度根据折减系数X突然退化，若纱线单元不完全失效，则根据纤维束复合材料应力-应变曲线连续退化，统计纱线的损伤累计，若纱线单元未发生损伤，则增加位移载荷ΔL重复步骤五。
进一步的，所述的步骤七中，随着位移载荷的增加，累计的纱线单元失效最终造成陶瓷基复合材料细观非周期性结构的整体失效，当载荷持续下降时，判定陶瓷基复合材料细观非周期性结构完全失效，结束计算，读取最大载荷值，否则增加位移载荷ΔL继续进行求解，统计计算结果，得到陶瓷基复合材料细观非周期性结构载荷-位移曲线。
本发明的有益效果为：
1、本发明提供了一种基于纤维束为主承载单元的陶瓷基复合材料细观非周期性结构强度分析方法，采用本方法可准确描述2.5D/3D复合材料整体仿形而成的复杂结构不同部位纱线结构的差异。
2、本发明提出的方法解决了目前常用的宏观均匀化方法无法代表细观非周期性结构不同区域宏观力学性能的问题，可以准确预测陶瓷基复合材料细观非周期性结构的载荷-位移响应，有助于此类先进结构的设计和优化。
3、本发明提出的方法通过将纱线作为基本承载单元，将纤维束复合材料本构赋予纱线，反映了陶瓷基复合材料细观非周期性结构不同部位的材料参数差异，通过渐进损伤分析方法更准确的对结构不同部位的损伤进行分析。
附图说明
图1是陶瓷基复合材料细观非周期性结构强度分析方法的总路线图；
图2是采用X射线计算机断层扫描得到的2.5D机织榫头结构的主视图；
图3是采用X射线计算机断层扫描得到的2.5D机织榫头结构的仰视图；
图4是建立的2.5D机织榫头结构细观几何模型；
图5是建立的2.5D机织榫头结构细观有限元模型及施加的边界条件，其中A为位移载荷，B为不分离接触，C为固定支撑，D为无摩擦支撑；
图6是计算得到的2.5D机织榫头结构载荷-位移曲线；
图7是经向纱线和纬向纱线横截面近似示意图。
具体实施方式
为了更清晰的展示本发明的技术方案及优势，下面结合附图及实施例对本发明做出进一步详细说明：
一种基于纤维束为主承载单元的陶瓷基复合材料细观非周期性结构强度分析方法，应用于具有细观非周期性的陶瓷基复合材料榫头结构的强度分析。所述榫头结构由2.5D陶瓷基复合材料整体仿形成型。由于榫头结构厚度渐变的特点，该结构不同区域的纱线结构不同。如图1所示，为本发明方法的整体方案路线图，包括如下步骤：
步骤一：建立陶瓷基复合材料细观非周期性结构细观几何模型：
如图2和图3所示，陶瓷基复合材料细观非周期性结构由相互交织的经向和纬向的纱线构成，所述陶瓷基复合材料细观非周期性结构不同区域的纱线结构不同。通过电子显微镜观测发现所述纱线与纤维束复合材料具有相同的微观组分，故所述纱线可视为纤维束复合材料。所述纤维束复合材料由纤维、包裹在纤维外侧的基体以及基体与纤维之间的界面组成。所述纤维束复合材料由SiC纤维、包裹在纤维外侧的SiC基体以及基体与纤维之间的热解碳界面组成。根据X射线计算机断层扫描得到的图像，将经向和纬向纱线横截面近似为矩形、椭圆形、跑道形或双面凸透镜形等形状，如图7所示，本实施例中将经向纱线和纬向纱线横截面分别近似为矩形和双面凸透镜形。再根据经向/纬向纱线的走向，分别建立每一根纱线的几何模型。将所有纱线几何模型组合在一起共同构成如图4所示的陶瓷基复合材料细观非周期性结构的细观几何模型。该细观几何模型合理近似并准确描述了榫头结构真实纱线几何结构和走向，体现了榫头结构不同区域纤维结构的差异。
步骤二：建立陶瓷基复合材料细观非周期性结构细观有限元模型：
在有限元分析软件中对步骤一中所述的陶瓷基复合材料榫头结构细观几何模型进行网格划分。每一根纱线即为纱线单元，以每一根纱线的走向为主方向对有限元模型中的所有纱线单元赋予单元主方向。为满足有限元分析的需要，同时建立必要的夹具辅助结构的有限元模型，在夹具与细观非周期性结构接触处设置接触，接触类型有绑定接触、摩擦接触、不分离接触等，根据实际接触情况进行选择。本实施例最终建立如图5所示的有限元模型。
步骤三：获取纤维束复合材料力学性能：
通过试验和公式来获得纤维束复合材料的力学性能。沿纤维束复合材料走向方向为纵向方向，垂直于纤维束复合材料走向方向分别为横向和厚度方向。采用与榫头结构相同的工艺制备纤维束复合材料并开展拉伸试验获得纤维束复合材料沿纵向的应力-应变曲线。
纤维束复合材料可视为横观各向同性材料，它的本构模型须建立在其微观组分损伤机理的基础上。在纤维/基体界面滑移方面，剪切滞后模型直接采用数学方法来描述界面剪应力在纤维与基体之间的力平衡中所起的作用。在基体开裂方面，概率统计方法是目前最常用的陶瓷基复合材料基体开裂理论之一。基于上述模型和方法，纤维束复合材料纵向应力-应变曲线可以使用等式(1)和(2)计算。
纤维束复合材料的平均应变视为等效于未损坏纤维束复合材料的平均应变/>即：
当界面完全脱粘时，平均应变表示如下：
其中，Ef为纤维纵向弹性模量，L为基体裂纹间距，Vf为纤维体积分数，σf为纤维纵向应力，σf0为纤维束复合材料未损坏时的纵向应力，σ为纤维束复合材料的纵向应力，rf为纤维平均半径，x为界面滑移距离，τ为界面剪切应力，d为脱粘区域的长度，αf为纤维的热膨胀系数，αc为纤维束复合材料的热膨胀系数，△T是室温和复合材料制备温度的差值，
Ec＝VfEf+EmVm (5)
其中，D为基体裂纹密度，Dsat是基体达到裂纹饱和时的最终密度，和mm是统计参数，Ec为纤维束复合材料纵向弹性模量，Em为基体弹性模量，αm为基体的热膨胀系数，Vm为基体的体积分数，Em为基体的弹性模量。
下述混合定律用于计算纤维束复合材料在其他方向上的弹性常数：
其中，Eij、Gij、vij(i，j＝1，2，3)分别为弹性模量，剪切模量和泊松比。下标1，2，3分别为纤维/纤维束复合材料的纵向、横向和厚度方向。上述式中：E22表示纤维束复合材料横向的弹性模量，E33表示纤维束复合材料厚度方向的弹性模量，表示纤维横向的弹性模量，v12、v13、v23为纤维束复合材料三方向泊松比，v12表示1方向的单位应变所引起的2方向的应变，v13表示1方向的单位应变所引起的3方向的应变，v23表示2方向的单位应变所引起的3方向的应变，/>为增强纤维泊松比，vm为基体泊松比；1方向为纵向，2方向为横向，3方向为厚度方向，G12、G13、G23为纤维束复合材料三个方向剪切模量，分别表示1-2平面、1-3平面、2-3平面的切应力与切应变之比，/>为增强纤维剪切模量，Gm为基体剪切模量。
本实例中的纤维和基体的基本力学性能如表1所示，可计算出所述纤维束复合材料其余方向的力学性能。
表1纤维和基体性能
步骤四：将步骤三所述纤维束复合材料力学性能赋予陶瓷基复合材料榫头结构细观有限元模型中的所有纱线单元。对有限元分析所需的夹具辅助结构的有限元模型设置45钢的材料参数。设置如图5所示的约束，施加初始位移载荷dL＝0.1mm。
步骤五：求解并记录步骤四所述陶瓷基复合材料榫头结构细观有限元模型中夹具固定端支反力。将有限元模型在同一位移载荷下前后两次迭代计算得到的支反力结果进行比较，如果差值小于10N，则判定在该位移载荷下计算结果收敛，否则判断纱线单元是否发生损伤。
步骤六：依据相应的失效准则及获取的纱线单元的应变计算结果，判断纱线单元是否发生失效。本实例失效准则采用最大应变准则，本实例中仅判断纱线单元在纵向上的拉伸失效、在厚度方向上的压缩失效以及1-2、1-3、2-3平面方向上的剪切失效。相应的失效应变如表2所示。若纱线单元完全失效，则材料刚度根据折减系数0.01突然退化。若纱线单元不完全失效，则根据纤维束复合材料应力-应变曲线连续退化，以体现纱线的损伤累计。若纱线单元未发生损伤，则增加位移载荷ΔL＝0.1mm继续求解。
表2.纱线失效应变
步骤七：随着位移载荷的增加，累计的纱线单元失效最终造成了榫头结构的整体失效。当载荷持续下降时，判定榫头结构完全失效。若榫头结构完全失效，则结束计算，读取最大载荷值。否则，增加位移载荷，继续进行求解。统计计算结果，得到如图6所示的陶瓷基复合材料榫头结构载荷-位移曲线。在本实例中当位移载荷为2.5mm时榫头结构完全失效，因而计算得到的陶瓷基复合材料榫头结构的失效载荷为16.8kN。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种陶瓷基复合材料细观非周期性结构强度分析方法，其特征在于，包括以下步骤，
步骤一，建立陶瓷基复合材料细观非周期性结构的细观几何模型：
步骤二，对步骤一中的细观几何模型进行网格划分，建立陶瓷基复合材料细观非周期性结构的细观有限元模型，并建立辅助结构有限元模型；
步骤三，获取陶瓷基复合材料细观非周期性结构的纤维束复合材料的力学性能；
步骤四，将步骤三中的纤维束复合材料的力学性能赋予到步骤二中的细观有限元模型中，通过辅助结构有限元模型对细观有限元模型施加约束及初始位移载荷；
步骤五，施加位移载荷，求解并记录步骤四中的细观有限元模型中的固定端支反力；
步骤六，依据失效准则及固定端支反力的计算结果，判断细观有限元模型中的纱线单元是否失效；
步骤七，继续施加位移载荷，累计步骤六中的纱线单元失效最终造成陶瓷基复合材料细观非周期性结构的整体失效，最大载荷即为陶瓷基复合材料细观非周期性结构的失效载荷。
2.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料细观非周期性结构强度分析方法，其特征在于，所述的步骤一中，陶瓷基复合材料细观非周期性结构由相互交织的经向和纬向的纱线构成，所述的陶瓷基复合材料细观非周期性结构的不同区域的纱线结构不同，通过电子显微镜观测可见所述的纱线与纤维束复合材料具有相同的微观组分，即所述的纱线即为纤维束复合材料，所述的纤维束复合材料由纤维、包裹在纤维外侧的基体及基体与纤维之间的界面组成，使用X射线计算机断层扫描陶瓷基复合材料细观非周期性结构，再根据经向纱线和纬向纱线的走向，分别建立每一根纱线的几何模型，将所有的纱线几何模型组合在一起构成所述的陶瓷基复合材料细观非周期性结构的细观几何模型。
3.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料细观非周期性结构强度分析方法，其特征在于，所述的步骤二中，在有限元分析软件中对步骤一所述的陶瓷基复合材料细观非周期性结构的细观几何模型进行网格划分，建立陶瓷基复合材料细观非周期性结构的细观有限元模型，将所述细观有限元模型中的所有单元称为纱线单元，以每一根纱线的走向为主方向对所述的细观有限元模型中的所有纱线单元赋予单元主方向。
4.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料细观非周期性结构强度分析方法，其特征在于，步骤二中所述的辅助结构有限元模型为陶瓷基复合材料细观非周期性结构的夹具有限元模型，在夹具与细观非周期性结构接触处设置接触。
5.根据权利要求2所述的一种陶瓷基复合材料细观非周期性结构强度分析方法，其特征在于，所述的步骤三中，通过试验和公式计算获得所述的纤维束复合材料的力学性能，沿纤维束复合材料走向方向为纵向方向，垂直于纤维束复合材料走向方向分别为横向和厚度方向，对所述的纤维束复合材料展开拉伸试验并获得纤维束复合材料沿纵向的应力-应变曲线，所述的纤维束复合材料的制备材料和制备工艺与步骤一中陶瓷基复合材料细观非周期性结构中的纤维束复合材料完成相同，纤维束复合材料的平均应变等效于未损坏纤维束复合材料的平均应变/>即：
当纤维束复合材料的基体与纤维之间的界面完全脱粘时，平均应变表示如下：
其中，Ef为纤维纵向弹性模量，L为基体裂纹间距，Vf为纤维体积分数，σf为纤维纵向应力，σf0为纤维束复合材料未损坏时的纵向应力，σ为纤维束复合材料的纵向应力，rf为纤维平均半径，x为界面滑移距离，τ为界面剪切应力，d为脱粘区域的长度，αf为纤维的热膨胀系数，αc为纤维束复合材料的热膨胀系数，ΔT是室温和复合材料制备温度的差值，
其中，L、σf0、d、αc的值由下述等式得到：
Ec＝VfEf+EmVm，
其中，D为基体裂纹密度，Dsat是基体达到裂纹饱和时的最终密度，和mm是统计参数，Ec为纤维束复合材料纵向弹性模量，Em为基体弹性模量，αm为基体的热膨胀系数，Vm为基体的体积分数，Em为基体的弹性模量，
纤维束复合材料在其他方向上的弹性常数分别表示为：
其中E22表示纤维束复合材料横向的弹性模量，E33表示纤维束复合材料厚度方向的弹性模量，表示纤维横向的弹性模量，v12、v13、v23为纤维束复合材料三方向泊松比，v12表示1方向的单位应变所引起的2方向的应变，v13表示1方向的单位应变所引起的3方向的应变，v23表示2方向的单位应变所引起的3方向的应变，/>为增强纤维泊松比，vm为基体泊松比；1方向为纵向，2方向为横向，3方向为厚度方向，
G12、G13、G23为纤维束复合材料三个方向剪切模量，分别表示1-2平面、1-3平面、2-3平面的切应力与切应变之比，为增强纤维剪切模量，Gm为基体剪切模量。
6.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料细观非周期性结构强度分析方法，其特征在于，所述的步骤四中，将步骤三中试验和计算所得的纤维复合材料的力学性能赋予到步骤二中所述的陶瓷基复合材料细观非周期性结构的细观有限元模型中所有的纱线单元，并对夹具有限元模型设置相应的材料参数，施加初始位移载荷dL。
7.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料细观非周期性结构强度分析方法，其特征在于，步骤五中，将所述的细观有限元模型在同一位移载荷下前后两次迭代计算得到的支反力结果进行比较，如果差值小于预定值，则判定在该位移载荷下计算结果收敛，如果差值大于预定值，则判断纱线单元是否发生损伤，数据统计为纱线单元的应变计算结果。
8.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料细观非周期性结构强度分析方法，其特征在于，步骤六中，根据步骤五中获取的纱线单元的应变计算结果，若纱线单元完全失效，则材料刚度根据折减系数X突然退化，若纱线单元不完全失效，则根据纤维束复合材料应力-应变曲线连续退化，统计纱线的损伤累计，若纱线单元未发生损伤，则增加位移载荷ΔL重复步骤五。
9.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料细观非周期性结构强度分析方法，其特征在于，步骤七中，随着位移载荷的增加，累计的纱线单元失效最终造成陶瓷基复合材料细观非周期性结构的整体失效，当载荷持续下降时，判定陶瓷基复合材料细观非周期性结构完全失效，结束计算，读取最大载荷值，否则增加位移载荷ΔL继续进行求解，统计计算结果，得到陶瓷基复合材料细观非周期性结构载荷-位移曲线。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311705412.0A CN117804896A (zh) | 2023-12-13 | 2023-12-13 | 一种陶瓷基复合材料细观非周期性结构强度分析方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311705412.0A CN117804896A (zh) | 2023-12-13 | 2023-12-13 | 一种陶瓷基复合材料细观非周期性结构强度分析方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117804896A true CN117804896A (zh) | 2024-04-02 |
Family
ID=90424593
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311705412.0A Pending CN117804896A (zh) | 2023-12-13 | 2023-12-13 | 一种陶瓷基复合材料细观非周期性结构强度分析方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117804896A (zh) |
-
2023
- 2023-12-13 CN CN202311705412.0A patent/CN117804896A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Boisse et al. | Analysis of the mechanical behavior of woven fibrous material using virtual tests at the unit cell level | |
| Sriramula et al. | Quantification of uncertainty modelling in stochastic analysis of FRP composites | |
| Xue et al. | Integrated micro/macro-mechanical model of woven fabric composites under large deformation | |
| Mikhaluk et al. | Experimental observations and finite element modelling of damage initiation and evolution in carbon/epoxy non-crimp fabric composites | |
| Zhang et al. | A meso-scale finite element model for simulating free-edge effect in carbon/epoxy textile composite | |
| Yang et al. | Multiscale modeling and failure analysis of an 8-harness satin woven composite | |
| Lee et al. | Virtual material characterization of 3D orthogonal woven composite materials by large-scale computing | |
| Wang et al. | Compressive failure of composite laminates containing multiple delaminations | |
| Komeili et al. | Finite element modeling of woven fabric composites at meso-level under combined loading modes | |
| Plagianakos et al. | Assessment of CNT-doping and hot-wet storage aging effects on Mode I, II and I/II interlaminar fracture toughness of a UD Graphite/Epoxy material system | |
| Chen et al. | Multi-scale modelling of progressive damage and failure behaviour of 2D woven SiC/SiC composites | |
| CN114117839A (zh) | 一种陶瓷基复合材料耦合损伤力学性能预测方法 | |
| CN117804896A (zh) | 一种陶瓷基复合材料细观非周期性结构强度分析方法 | |
| Welsh et al. | Comparison of MCT failure prediction techniques and experimental verification for biaxially loaded glass fabric-reinforced composite laminates | |
| Boisse | Meso-macro approach for composites forming simulation | |
| Jin et al. | Structural effects of three-dimensional angle-interlock woven composite undergoing bending cyclic loading | |
| Nader et al. | Size effects on the bending strength of fiber-reinforced polymer matrix composites | |
| Fabric | Mesoscopic Modelling of Unidirectional Polymer Laminate Reinforced with Glass | |
| Zhang et al. | Mechanical behaviors on T-shaped hook-connected structure made of 2.5 D woven composites and TC4 alloy | |
| Zhang | Multi-scale characterization and failure modeling of carbon/epoxy triaxially braided composite | |
| Daggumati et al. | Meso-scale modelling in thermoplastic 5-harness satin weave composite | |
| Zhang et al. | Simulation of failure behavior of 2.5 D SiC/SiC variable thickness dovetail joint structures based on mesoscale model | |
| Eliasson et al. | Probabilistic fatigue strength assessment of cross-ply laminates: Exploring effects of manufacturing defects through a two-scale modeling approach | |
| Anam et al. | Computationally efficient modeling of delamination behavior in laminated composites | |
| ElAgamy | An Experimental and Numerical Study of Three-Dimensional Fatigue Damage in Carbon Fibre Reinforced Polymers |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |