[發(fā)明專利]應力氧化環(huán)境下單向陶瓷基復材應力應變曲線預測方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010180571.3
• 申請日: 2020-03-16
• 公開（公告）號: CN111400906B
• 公開（公告）日: 2022-06-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫志剛;丁俊杰;陳西輝;牛序銘;靳彧
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F119/14;G06F119/08
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 上官鳳棲

1.應力氧化環(huán)境下單向陶瓷基復材應力應變曲線預測方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1：確定單向C/SiC復合材料基體裂紋數(shù)和飽和裂紋間距：根據(jù)拉伸應力作用下基體承受的應力，計算單向C/SiC復合材料基體裂紋數(shù)隨應力的變化規(guī)律和飽和裂紋間距，裂紋隨機分布在單向C/SiC復合材料基體中；

步驟2：確定單向C/SiC復合材料拉伸應力應變曲線預測模型：將單向C/SiC復合材料的纖維、基體和界面分為若干個單元，并通過威布爾分布確定每個單元的強度大小；基于剪滯理論，求解不同單元之間的應變情況，計算出單元對應的應力大小，從而推導得出整個材料的應力應變曲線預測模型；

步驟3：確定單向C/SiC復合材料應力氧化反應后熱解碳界面和C纖維的氧化損傷系數(shù)：基于熱解碳界面和C纖維的反應機理，建立熱解碳消耗長度和C纖維剩余強度隨時間的變化關(guān)系，據(jù)此建立非線性氧化損傷系數(shù)計算公式，計算出復合材料氧化后熱解碳界面和C纖維的氧化損傷系數(shù)；

步驟4：確定單向C/SiC復合材料應力應變曲線：確定復合材料的氧化時間、溫度和應力大小，根據(jù)單向C/SiC復合材料基體裂紋數(shù)隨應力的變化規(guī)律，計算出初始應力下的基體裂紋數(shù)，并據(jù)此計算出應力氧化后新產(chǎn)生的基體裂紋位置，將飽和裂紋間距、應力氧化后所有的基體裂紋位置以及該氧化環(huán)境下熱解碳界面和C纖維的氧化損傷系數(shù)代入應力應變曲線預測模型，然后施加不同的應變來得到材料對應的應力，最終擬合出材料應力氧化后的應力應變曲線。

2.如權(quán)利要求1所述的應力氧化環(huán)境下單向陶瓷基復材應力應變曲線預測方法，其特征在于：所述步驟1中，單向C/SiC復合材料基體裂紋數(shù)隨應力的變化規(guī)律的計算如下：

假設(shè)基體的失效概率P服從泊松分布，在單軸拉伸應力作用下，長度L_s的復合材料上產(chǎn)生n條裂紋的概率為：

式中，M(A)為泊松參數(shù)；則外載為σ時的失效概率為：

P＝1-exp{-M(A)} (2)

式中，P為特征長度為L_s、應力為σ時的基體失效概率，M(A)為無量綱泊松參數(shù)，σ_mc為基體的初始開裂應力，σ_th為基體殘余熱應力，σ_R為特征應力，m為威布爾模量；

基體殘余熱應力σ_th計算公式如下：

式中，α_c為復合材料熱膨脹系數(shù)，α_f為纖維膨脹系數(shù)，α_m為基體膨脹系數(shù)，ΔT為氧化溫度與室溫差，E_f表示纖維彈性模量，E_m為基體彈性模量，V_f表示纖維體積分數(shù)，V_m表示基體體積分數(shù)；由此得到軸向應力σ作用下基體的失效概率為：

采用蒙特卡洛法編程模擬應力作用下C/SiC復合材料基體中的裂紋數(shù)n。

3.如權(quán)利要求1所述的應力氧化環(huán)境下單向陶瓷基復材應力應變曲線預測方法，其特征在于：所述步驟1中，單向C/SiC復合材料基體中飽和裂紋間距的計算如下：

在應力大小為σ時飽和裂紋間距計算式為：

式中，l為飽和裂紋間距，r_f為纖維直徑，V_m表示基體體積分數(shù)，E_m為基體彈性模量，V_f表示纖維體積分數(shù)，E_f表示纖維彈性模量，σ_cr為開裂應力，τ_c為界面脫粘剪切力。

4.如權(quán)利要求1所述的應力氧化環(huán)境下單向陶瓷基復材應力應變曲線預測方法，其特征在于：所述步驟2中，通過威布爾分布確定每個單元的強度大小，具體如下：

F＝1-exp[-(L/L₀)(f/f₀)^m] (7)

式中，F(xiàn)為累計失效概率，L為復合材料總長度，L₀為各單元對應位置距離，f₀為組分強度，f為威布爾分布后各單元強度，m為威布爾系數(shù)。