[發明專利]一種復合材料軸結構宏-細觀失效模式分析方法

在審

• 申請號: 202011501315.6
• 申請日: 2020-12-18
• 公開（公告）號: CN112528415A
• 公開（公告）日: 2021-03-19
• 發明（設計）人: 駱麗;沙云東
• 申請（專利權）人: 沈陽航空航天大學
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/17;G06F30/23;G06F111/04;G06F113/26;G06F119/02;G06F119/14
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 李運萍

本發明屬于航空復合材料技術領域，具體涉及一種基于跨尺度力學的復合材料軸結構宏?細觀失效模式分析方法。方法涉及主要包括三部分：其一，計算宏觀力學下軸結構在扭轉載荷作用下應力響應，識別結構危險位置并將危險位置應力結果轉化為沿連續纖維方向與垂直于連續纖維方向的應力；其二，基于細觀力學方法確立復合材料的失效臨界值即失效包線，并劃分失效模式區域；其三，將宏觀力學計算并轉化后的沿連續纖維方向與垂直于連續纖維方向的應力作為載荷施加在代表體積元(RVE)模型上，并將其置于失效包線中，最終確定失效模式。本方法可使連續纖維增強金屬基復合材料軸結構失效模式判定更精細、更準確，從而為結構設計與驗證提供指導。

技術領域

本發明屬于航空復合材料技術領域，具體涉及一種基于跨尺度力學的復合材料軸結構宏-細觀失效模式分析方法，尤其涉及應用在連續纖維增強金屬基復合材料軸結構的宏-細觀失效模式分析方法。

背景技術

新一代航空發動機主軸設計中，若不改變其結構布局，采用傳統材料使其減重增效的空間非常有限。為了提高發動機整體性能，新型材料和工藝的應用是關鍵因素。SiC連續纖維增強金屬基復合材料(MMC)具有比強度高、比剛度高、耐溫性好等優點，已經成為新一代航空發動機研制的新型材料。連續纖維增強金屬基復合材料低壓渦輪軸的研制需要開展設計、材料和工藝一體化研究，突破關鍵技術瓶頸，建立系統的設計與驗證方法和技術體系材料。

國外已經完成了SiC連續纖維增強復合材料的研制、應用研究與零部件試驗考核等大量研究工作，并已經在航空發動機的改進改型和新機研制中得到應用。尤其對于結構失效模式的研究工作早已開展實驗及仿真研究。英國諾丁漢大學針對SCS/Ti-6-4短軸試驗件開展了復合材料細觀力學的彈塑性分析，得到±45°鋪角的復合材料軸結構比+45°鋪角應力/應變響應值小；并開展兩種軸結構試驗件在扭轉作用下失效模式試驗研究，試驗表明相同鋪層層數下，±45°鋪角的復合材料軸結構承扭能力優于+45°鋪角的軸結構。美國GE公司在2003年已完成SiC/Ti復合材料軸結構的制造，纖維體積分數為35％，并進行力學性能及疲勞壽命試驗，后繼完成全尺寸試驗件實驗任務。關于復合材料失效分析理論和試驗研究，目前主要研究對象是復合材料層合板結構。1991年，英國學者先后組織了兩屆WWFE(World Wide Failure Exercise，即“復合材料破壞奧運會”)，只考慮了面內二維載荷，結果表明失效模式不能完全表征出來。WWFEII評估了復合材料在三維應力狀態下的失效狀況，由于試驗復雜、費用昂貴及試驗參數缺乏，針對三維應力狀態下的失效包線是否閉合的問題，各失效理論之間還有爭論。黃爭鳴從組份材料出發進行了復合材料強度預報既能節省大量的材料選型和試驗費用，又能極大簡化復合材料的研制流程，貢獻較大。目前，復合材料細觀力學失效理論主要包括Chamis、Mayes、Tsai-Ha、Carrere和橋聯理論。Crlos A和CiminJr利用MMF理論(Micro-mechanics of Failure Theory),并結合經典層合板理論對樹脂基復合材料的失效模式進行了預測，認為運用MMF失效理論能夠盡可能減少經驗參數的運用，提高預測結果的準確性。

國內，在突破SiC連續纖維增強金屬基復合材料制備能力的基礎上，已經開展纖維增強低壓渦輪軸工藝研究及制造并取得較大進展，在軸類結構設計方面也剛剛起步，其中涉及到的與軸類結構相關的力學性能計算、失效模式分析及低循環壽命尚未深入開展，無法對纖維增強低壓渦輪軸結構設計形成技術支撐。

發明內容

為了準確分析連續纖維增強復合材料，特別是金屬基復合材料構成的軸結構的失效模式，本發明建立了一種基于跨尺度力學的復合材料軸結構在承受扭轉載荷時的宏-細觀失效模式分析方法。該方法涉及主要包括三部分：其一，計算宏觀力學下軸結構在扭轉載荷作用下應力響應，識別結構危險位置并將危險位置應力結果轉化為沿連續纖維方向與垂直于連續纖維方向的應力；其二，基于細觀力學方法確立復合材料的失效臨界值即失效包線，并劃分失效模式區域；其三，將宏觀力學計算并轉化后的沿連續纖維方向與垂直于連續纖維方向的應力作為載荷施加在代表體積元(RVE)模型上，并將其置于失效包線中，最終確定失效模式。跨尺度研究主要涉及結構從宏觀計算過渡到細觀計算，如圖1所示。