【摘要】：編織陶瓷基復(fù)合材料具備耐高溫、高比強度、高比模量、對缺口不敏感以及材料性能可設(shè)計性強等優(yōu)點,是下一代航空發(fā)動機高溫部件的理想材料。多尺度分析方法可以建立編織陶瓷基復(fù)合材料宏觀性能同其組分材料性能及細觀結(jié)構(gòu)之間的定量關(guān)系,在工程上能充分發(fā)揮材料性能、獲得性能最優(yōu)的結(jié)構(gòu)件,并降低結(jié)構(gòu)設(shè)計成本、縮短研發(fā)周期,因此是實現(xiàn)編織陶瓷基復(fù)合材料工程應(yīng)用的必備技術(shù)。然而目前國內(nèi)外對編織陶瓷基復(fù)合材料力學行為的多尺度預(yù)測還不完善,無法采用多尺度方法準確預(yù)測材料的非線性本構(gòu)響應(yīng)、強度和破壞模式。造成這一現(xiàn)狀主要有三個原因:損傷機理復(fù)雜且失效模型不完善、組分性能難以獲取以及紗線力學行為研究不充分。本文據(jù)此背景,提出了一種編織陶瓷基復(fù)合材料力學行為的多尺度分析方法,從微觀、細觀和單胞等多個尺度研究編織陶瓷基復(fù)合材料的力學行為和損傷機理。通過多尺度分析建立了材料宏觀力學行為與組分性能和細觀結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系,揭示了材料宏觀力學行為的形成原因。建立了編織陶瓷基復(fù)合材料多種損傷機理的細觀力學模型。針對纖維斷裂,建立了纖維缺陷分布模型。該模型基于單絲拉伸試驗結(jié)果,將纖維中的缺陷分級,給出了任意長度纖維上各級缺陷出現(xiàn)的概率,由于纖維單絲強度等于單絲上最弱缺陷的強度,因此得到了纖維強度分布。針對基體開裂,建立了基體單元強度模型。該模型將基體劃分為很多個單元,給出了基體單元強度公式。當單元中基體應(yīng)力大于基體單元強度時,該單元中便產(chǎn)生一個新的裂紋,且新裂紋的位置在該單元中隨機均勻分布。利用該模型模擬了拉伸過程中的基體裂紋擴展過程。針對纖維/基體界面反復(fù)滑移,建立了適用于任意加卸載歷程的界面滑移區(qū)分布模型。該模型給出了加卸載過程中界面正、反向滑移區(qū)的擴展和消失規(guī)律,還給出了界面上有任意多個正、反向滑移區(qū)時,各滑移區(qū)的長度和應(yīng)力分布公式。提出了編織陶瓷基復(fù)合材料多種組分的原位性能測試方法。針對纖維原位性能,根據(jù)編織陶瓷基復(fù)合材料制備工藝對纖維進行熱處理,熱處理后的纖維可視為編織陶瓷基復(fù)合材料內(nèi)部原位纖維。設(shè)計了單絲拉伸試驗和纖維束拉伸試驗,測量了纖維原位強度分布和彈性模量。針對基體裂紋密度和分布,設(shè)計了由加載臺和顯微鏡組成的基體裂紋在線觀測系統(tǒng)。加載臺可對小復(fù)合材料試件施加并測量拉伸載荷,同時用顯微鏡觀察基體裂紋分布。采用該方法獲得了不同應(yīng)力水平下的基體裂紋密度和位置。利用小復(fù)合材料研究了編織陶瓷基復(fù)合材料內(nèi)部紗線的力學行為并建立其本構(gòu)模型。采用與編織陶瓷基復(fù)合材料相同的工藝制備小復(fù)合材料,小復(fù)合材料的性能可視為與編織陶瓷基復(fù)合材料內(nèi)部紗線相同。設(shè)計了小復(fù)合材料力學測試系統(tǒng),測量了其單向拉伸和循環(huán)加卸載應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)。針對紗線本構(gòu)響應(yīng)和強度,提出了考慮失效纖維承載的紗線本構(gòu)模型。該模型預(yù)測的小復(fù)合材料應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)、強度以及斷口形貌與試驗結(jié)果一致�；趯幙椞沾苫鶑�(fù)合材料細觀結(jié)構(gòu)的觀測結(jié)果建立材料參數(shù)化單胞模型,模型中紗線的本構(gòu)行為采用紗線本構(gòu)模型計算得到。通過漸進損傷分析方法,獲得了單胞的單向拉伸和循環(huán)加卸載應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)以及拉伸過程中的單胞應(yīng)力分布。無論是宏觀應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)、強度還是破壞模式,預(yù)測結(jié)果都與試驗結(jié)果一致。最后分析了組分性能和細觀結(jié)構(gòu)對編織陶瓷基復(fù)合材料力學性能的影響,通過改變組分性能和細觀結(jié)構(gòu),獲得了具有不同宏觀力學性能的編織材料。數(shù)值計算結(jié)果充分說明了,多尺度分析方法可以建立復(fù)合材料宏觀力學響應(yīng)與組分力學性能和細觀結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系,也可以實現(xiàn)復(fù)合材料力學性能的可設(shè)計性。
【學位授予單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：V25
【圖文】：

紗線構(gòu)成的骨架稱為預(yù)制體，預(yù)制體結(jié)構(gòu)一般可分為單向、層合和編織等（參見圖 1.1）。其中編織結(jié)構(gòu)通過紗線間的交叉連接，使其層間抗剪切性能、抗沖擊性能、損傷容限和斷裂韌性等優(yōu)于單向和層合結(jié)構(gòu)。工程上使用的 CMCs 結(jié)構(gòu)件一般為編織結(jié)構(gòu)。

CMSE理論中基體開裂過程

【參考文獻】

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本文編號：2723300