[發明專利]一種金屬基復合材料在譜載荷下應力應變響應計算方法

在審

• 申請號: 202110284300.7
• 申請日: 2021-03-17
• 公開（公告）號: CN113515835A
• 公開（公告）日: 2021-10-19
• 發明（設計）人: 孫志剛;姚旭博;牛序銘;肖瀚民;劉炎;宋迎東
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G16C10/00;G16C60/00;C22F1/18;G06F113/26;G06F119/14
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 陳國強

本發明公開了一種金屬基復合材料在譜載荷下應力應變響應計算方法，基于帶基體裂紋長度的單胞模型求解單胞模型裂紋平面處復合材料基體和纖維承擔的應力；將帶裂紋的單胞模型的基體及纖維分成n個單元；建立含基體裂紋長度的摩擦滑移模型；確定SiC/Ti復合材料基體屈服條件，判斷基體是否進入塑性屈服，求解帶裂紋的單胞模型進入塑性屈服后裂紋平面處復合材料基體及纖維承擔的應力；求解基體非邊界單元屈服時，界面剪應力及纖維和基體應力應變；進行基體和纖維應變協調判斷；求解復合材料特征單元、基體和纖維平均應力應變；基于上述步驟中含基體裂紋長度及基體塑性屈服的摩擦滑移模型計算譜載荷下金屬基復合材料應力應變響應。

技術領域

本發明屬于材料技術領域，特別涉及一種金屬基復合材料在譜載荷下應力應變響應計算方法。

背景技術

連續碳化硅纖維增強鈦基復合材料(Titanium Matrix Composites，以下簡稱SiC/Ti)具備高比強度和高比剛度等特性，主要被應用于航空發動機轉子部件。SiC/Ti結構受到離心應力時，通常承受的是拉拉載荷，而且在實際服役環境中，拉拉載荷是無規律且復雜的，因此有必要研究SiC/Ti復合材料在譜載荷下的疲勞性能。通過研究金屬基復合材料的界面微觀力學性能，分析其影響因素，能夠更深入地了解金屬基復合材料的變形和斷裂機理，這對于研究金屬基復合材料的疲勞性能具有重要意義。為了更可靠地將金屬基復合材料應用到實際結構中，需要研究其應力應變行為。而金屬基復合材料作為一種復合材料，在譜載荷作用下會發生復雜的細觀損傷失效，材料的應力應變行為展現出明顯的非線性。所以，有必要對金屬基復合材料譜載荷加載下應力應變行為計算方法展開研究，為研究復合材料在服役環境中的疲勞壽命打下良好的基礎。

現有技術中，專利CN111400922 A“單向陶瓷基復合材料任意應變加卸載應力應變行為計算方法”提出了一種摩擦滑移模型并基于此模型計算單向陶瓷基復合材料在任意加卸載下的應力應變行為的方法，該模型模擬的是陶瓷基復合材料基體裂紋為貫穿裂紋時復合材料的應力應變行為計算方法，然而金屬基復合材料基體為彈塑性材料，在加載過程中基體裂紋不是貫穿裂紋而且會隨加載不斷擴展，所以該方法不能用于分析金屬基復合材料在任意加卸載下的應力應變行為。文獻“Hysteresis loop model of unidirectionalcarbon fiber-reinforced ceramic matrix composites under an arbitrary cyclicload”基于摩擦理論提出了一種單向纖維增強陶瓷基復合材料細觀力學模型，該模型實現了對單向纖維增強陶瓷基復合材料復雜載荷歷程應力-應變響應的模擬，然而SiC/Ti復合材料金屬基體開裂是緩慢擴展的過程，不是陶瓷基復合材料脆性基體的貫穿裂紋，再者金屬基體為彈塑性材料，在加載過程中可能發生塑性屈服。目前國內外發展了一系列SiC/Ti復合材料細觀力學模型，但大多數是采用剪切滯后理論來求解復合材料應力應變響應，傳統的剪切滯后模型只能分析簡單載荷下的應力應變響應，無法分析任意加卸載下的應力應變響應。

綜上所述，有必要建立一種能有效計算金屬基復合材料在譜載荷下應力應變響應的方法。

發明內容

為了解決現有技術中的問題，考慮SiC/Ti復合材料非貫穿裂紋及基體的塑性屈服，本發明提供了一種金屬基復合材料在譜載荷下應力應變響應計算方法，建立了一種單向纖維增強金屬基復合材料細觀力學模型，實現了SiC/Ti復合材料在譜載荷下的應力-應變響應的模擬。

為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種金屬基復合材料在譜載荷下應力應變響應計算方法，包括以下步驟：

步驟一：基于帶基體裂紋長度的單胞模型求解單胞模型裂紋平面處復合材料基體和纖維承擔的應力；

步驟二：將帶裂紋的單胞模型的基體及纖維分成n個單元；

步驟三：基于步驟一和步驟二建立含基體裂紋長度的摩擦滑移模型；