[發明專利]一種單向陶瓷基復合材料偏軸拉伸試驗件優化設計方法

有效

• 申請號: 201910665696.2
• 申請日: 2019-07-23
• 公開（公告）號: CN110502793B
• 公開（公告）日: 2021-09-17
• 發明（設計）人: 牛序銘;宋迎東;靳彧;孫志剛
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F119/14
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 徐紅梅

本發明公開了一種單向陶瓷基復合材料偏軸拉伸試驗件優化設計方法，包括：基于有限元法，建立傳統陶瓷基復合材料偏軸拉伸試驗件的參數化模型；利用剛度/柔度平均法計算出復合材料的彈性性能；建立偏軸局部坐標系；對模型加載求解，提取試驗段的最大軸向應力和最大內剪切應力，以及各節點軸向應力場；構建應力比較參數處理獲得的應力；設定優化的約束條件和優化目標，帶入優化程序進行計算，輸出優化結果；優化結果驗證與分析。本發明有效地減小了在偏軸拉伸過程中因附加彎矩而引起的試驗件變形；確保了試驗件不會因面內剪切應力而失效。因此提高了試驗的成功率，從而能夠獲得有效的試驗數據，為研究其力學性能提供了試驗依據。

技術領域

本發明涉及一種單向陶瓷基復合材料偏軸拉伸試驗件優化設計方法，主要用于解決偏軸拉伸中因附加彎矩而引起的試驗件變形，應力分布不均，試件因剪切力而失效和斷口不在試驗段部位等問題。

背景技術

陶瓷基復合材料具有比強度高，耐高溫性能好，密度小等有點，是未來先進航空發動機重要的熱端部件材料，已經在國外軍民用航空發動機上得到了初步成功的應用，我國也在積極展開相應的研究工作。在工程應用中，編織陶瓷基復合材料的應用更廣。但在實際工作中，由于陶瓷基復合材料受到的應力環境復雜，使其中的纖維束通常處于偏軸拉伸的載荷狀態下。所以，為準確揭示編織陶瓷基復合材料的變形與失效行為，需要對編織陶瓷基復合材料在偏軸拉伸狀態下的變形與失效行為展開探究。

然而由于陶瓷基復合材料的脆性，導致傳統試驗件在偏軸拉伸試驗過程中存在(1)如何保證試驗件上有完整的承載纖維；(2)如何減少因附加彎矩而引起的變形；(3)如何保證試件不會因面內剪切應力而失效；(4)如何保證試驗段應力均勻，并且斷口發生在試驗段部位等問題。導致試驗過程中成功率很低，難以獲得有效的試驗數據。由于缺乏相應的試驗支撐，目前大部分文獻在研究陶瓷基復合材料受到偏軸拉伸問題時都沒有考慮偏軸載荷下纖維束失效模式的改變，忽略了偏軸角度增大時單向陶瓷基復合材料的失效模型的轉變，使得對于單向陶瓷基復合材料在偏軸拉伸載荷下的變形與失效行為研究尚不充分，沒有完全揭示陶瓷基復合材料在偏軸拉伸載荷下基體開裂、界面脫黏和纖維失效三種失效機制的演化規律。

當前，如何優化設計出能夠滿足試驗要求的陶瓷基復合材料偏軸拉伸試驗件是本技術領域重要而難以解決的問題。

發明內容

發明目的：針對上述現有技術的不足，本發明的目的是提供一種單向陶瓷基復合材料偏軸拉伸試驗件優化設計方法，優化設計出試驗件在不同拉伸角度時的最優模型參數，從而提高試驗的成功率，獲得有效的試驗數據。

技術方案：為實現上述發明目的，本發明采用以下技術方案：

一種單向陶瓷基復合材料偏軸拉伸試驗件優化設計方法，包括以下步驟：

(1)基于有限元法，建立傳統陶瓷基復合材料偏軸拉伸試驗件的參數化模型；

(2)利用剛度/柔度平均法計算出復合材料的等效彈性常數；

(3)建立偏軸局部坐標系；

(4)對模型加載求解，提取試驗段的最大軸向應力和最大內剪切應力，以及各節點軸向應力場；

(5)構建應力比較參數處理獲得的應力；

(6)設定優化的約束條件和優化目標，帶入優化程序進行計算，輸出優化結果；

(7)優化結果驗證與分析；

將優化后的陶瓷基復合材料偏軸拉伸試驗件與傳統試驗件的應力分布結果進行對比，驗證優化效果。

進一步的，步驟(1)中，通過有限元仿真軟件建立傳統陶瓷基復合材料偏軸拉伸試驗件的參數化模型，包括試驗件長度Lx，試驗件寬度Ly，夾持段長度Ljx，試驗段長度Lsx以及試驗段寬度Lsy，這也是最后需要優化的試驗件模型參數。