[發明專利]一種編織陶瓷基復合材料強度的多尺度預測方法

有效

• 申請號: 201910245966.4
• 申請日: 2019-03-28
• 公開（公告）號: CN109920495B
• 公開（公告）日: 2020-03-13
• 發明（設計）人: 高希光;董洪年;宋迎東;張盛;于國強
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G16C60/00
• 分類號: G16C60/00;G16C10/00;G16C20/80
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 上官鳳棲

一種編織陶瓷基復合材料強度的多尺度預測方法，首先利用參數化的方法建立編織陶瓷基復合材料單胞模型，模型中包括紗線和基體，并進行周期性網格劃分。隨后采用細觀力學的方法模擬紗線單元的力學行為，同時采用應變轉換矩陣將紗線單元剛度矩陣由局部坐標系轉換到整體坐標系。最后通過施加增量型的周期性邊界條件，計算獲得單胞的細觀應力、應變場。采用體積平均法獲得編織陶瓷基復合材料宏觀應力和應變。若形成貫穿單胞的失效單元帶，即認為編織陶瓷基復合材料發生失效，此時的單胞平均應力即為編織陶瓷基復合材料的強度。本發明采用了宏細觀結合的多尺度分析方法，無需依賴于大量的耗時且成本高昂的試驗，即可準確預測編織陶瓷基復合材料的強度。

技術領域

本發明屬于復合材料強度預測方法技術領域，具體涉及一種編織陶瓷基復合材料強度的多尺度預測方法。

背景技術

陶瓷基復合材料具有比剛度大、比強度高、耐高溫、耐腐蝕、密度低等諸多優點，在航空、航天、核電等行業的熱端部件上具有廣泛的應用前景。陶瓷基復合材料按照其紗線結構一般可以分為單向、層合、編織等形式。在工程應用中，陶瓷基復合材料結構件一般為編織結構。為了更加高效、安全地應用陶瓷基復合材料，需要對編織陶瓷基復合材料強度進行預測。

編織陶瓷基復合材料細觀幾何結構及損傷失效模式復雜，對其強度進行多尺度預測技術難度較大。目前常用的主要有層合板理論及損傷力學方法。Jacobsen等(Jacobsen,T.K.,&Brondsted,P.(2001).Mechanical properties of two plain-woven chemicalvapor infiltrated silicon carbide-matrix composites.Journal of the AmericanCeramic Society,84(5),1043-1051.)采用層合板的理論預測了平紋編織陶瓷基復合材料的失效強度。盡管層合板理論是一種有效的預測面內性能的方法，然而編織陶瓷基復合材料的真實細觀應力應變分布卻要比層合板理論所假設的要復雜得多。此外，層合板理論還無法適用于三維編織陶瓷基復合材料。楊成鵬等(Yang,C.P.,et al.(2015).Damage-basedfailure theory and its application to 2D-C/SiC composites.Composites Part a-Applied Science and Manufacturing,77:181-187.)提出了一種新的損傷耦合的分析方法。然而，這一方法是一種依賴于試驗結果的唯象分析方法，無法分析編織陶瓷基復合材料的細觀失效過程。由此可見，編織陶瓷基復合材料強度的多尺度預測方法是本技術領域一項重要而難以解決的關鍵技術。

發明內容

本發明針對現有技術中的不足，提供一種編織陶瓷基復合材料強度的多尺度預測方法，無需過度依賴于試驗結果，能夠模擬編織陶瓷基復合材料細觀應力應變分布，分析編織陶瓷基復合材料的細觀失效過程。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種編織陶瓷基復合材料強度的多尺度預測方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟一：獲取編織陶瓷基復合材料細觀幾何參數；

步驟二：建立編織陶瓷基復合材料單胞模型；

步驟三：建立編織陶瓷基復合材料單胞有限元模型；

步驟四：施加周期性邊界條件；

步驟五：經紗單元剛度矩陣轉換；

步驟六：計算單胞有限元模型節點位移場；

步驟七：計算單胞有限元模型應力場和應變場；

步驟八：判斷計算結果收斂情況；

步驟九：計算單胞平均應力；

步驟十：判斷復合材料失效情況。