[發(fā)明專利]一種考慮斷裂纖維承載的陶瓷基復(fù)合材料強度預(yù)測方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910618452.9
• 申請日: 2019-07-09
• 公開（公告）號: CN110309619B
• 公開（公告）日: 2020-05-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張盛;高希光;宋迎東
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/15;G06F30/20;G16C60/00;G06F119/14
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 上官鳳棲

一種考慮斷裂纖維承載的陶瓷基復(fù)合材料強度預(yù)測方法，在陶瓷基復(fù)合材料中，由于纖維/基體間界面的載荷傳遞作用，斷裂纖維還具有一定的承載能力。本發(fā)明考慮了斷裂纖維的繼續(xù)承載，給出了判斷纖維斷裂位置的方法，計算了斷裂纖維在基體裂紋平面處的應(yīng)力，最終得到了陶瓷基復(fù)合材料的強度，可以大大提高預(yù)測結(jié)果的精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于復(fù)合材料力學(xué)性能預(yù)測領(lǐng)域，具體涉及一種考慮斷裂纖維承載的陶瓷基復(fù)合材料強度預(yù)測方法。

背景技術(shù)

纖維增強陶瓷基復(fù)合材料由于具有低密度和高耐溫性，在航空發(fā)動機熱端部件的應(yīng)用上已經(jīng)顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿?。強度是陶瓷基?fù)合材料最重要的性能之一，進行陶瓷基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計要求設(shè)計人員能準(zhǔn)確預(yù)測材料的強度?，F(xiàn)有的陶瓷基復(fù)合材料強度預(yù)測方法往往是根據(jù)纖維強度預(yù)測陶瓷基復(fù)合材料的強度，然而這些方法，如文獻[李龍彪，宋迎東，孫志剛.單向纖維增強陶瓷基復(fù)合材料單軸拉伸行為[J].復(fù)合材料學(xué)報，2008，25(04)：154-160]中的方法，都認為纖維在某處斷裂后，整根纖維都失去承載能力，他們將纖維斷裂等效為纖維體積分數(shù)的降低，都沒有考慮斷裂纖維的承載能力。事實上，由于纖維/基體間界面的載荷傳遞作用，斷裂纖維還具有一定的承載的能力。因此，若準(zhǔn)確預(yù)測陶瓷基復(fù)合材料的強度，必須要考慮斷裂纖維的承載能力。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種考慮斷裂纖維承載的陶瓷基復(fù)合材料強度預(yù)測方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種考慮斷裂纖維承載的陶瓷基復(fù)合材料強度預(yù)測方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1：將陶瓷基復(fù)合材料中每根纖維等分為多個纖維微元；

步驟2：根據(jù)纖維強度分布和纖維強度模型，確定各纖維微元的強度其中i、j表示第i根纖維上的第j個微元；

步驟3：給定陶瓷基復(fù)合材料的外載σ；

步驟4：以任一基體裂紋平面為基準(zhǔn)面，劃定影響區(qū)，只分析影響區(qū)域內(nèi)的纖維微元；

步驟5：計算每根纖維在該基體裂紋平面處的應(yīng)力

步驟6：根據(jù)纖維在該基體裂紋平面處的應(yīng)力計算纖維斷裂后的陶瓷基復(fù)合材料平均應(yīng)力

步驟7：若則陶瓷基復(fù)合材料未斷裂，增大陶瓷基復(fù)合材料的外載為σ+Δσ并返回步驟4；否則陶瓷基復(fù)合材料斷裂，取陶瓷基復(fù)合材料斷裂前的最大平均應(yīng)力為其強度S，即

為優(yōu)化上述技術(shù)方案，采取的具體措施還包括：

進一步地，步驟4中，影響區(qū)長度為式中r_f是纖維半徑，v_f是纖維體積分數(shù)，τ是纖維/基體間界面剪應(yīng)力。

進一步地，步驟5中，計算第i根纖維在基體裂紋平面處的應(yīng)力的方法為：

以該基體裂紋平面為基準(zhǔn)面，由近到遠在影響區(qū)域內(nèi)依次遍歷第i根纖維上的微元，對于第j個微元，選取纖維應(yīng)力分布模型，計算得到該微元的應(yīng)力判斷該微元是否斷裂，若則該微元斷裂并停止遍歷；若影響區(qū)域內(nèi)所有微元都未斷裂，則該纖維在基體裂紋平面處的應(yīng)力為否則計算該纖維在基體裂紋平面處的應(yīng)力的方法為式中r_f是纖維半徑，v_f是纖維體積分數(shù)，τ是纖維/基體間界面剪應(yīng)力，L_break為斷裂微元到基體裂紋平面的距離。

進一步地，步驟5中，選取剪滯模型來計算纖維微元應(yīng)力第i根纖維上第j個微元的應(yīng)力為：

式中L_flaw為該微元離最近的基體裂紋平面的距離，d是脫粘區(qū)長度，是粘結(jié)區(qū)纖維應(yīng)力。