复杂编织结构陶瓷基复合材料疲劳迟滞行为预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于多尺度模型的复杂编织结构陶瓷基复合材料疲劳迟滞行为 预测方法。
【背景技术】
[0002] 复杂编织陶瓷基复合材料具有高比强、高比模、耐高温、耐腐蚀和低密度等优良性 能，在空天飞行器高温防护系统具有广泛的需求。材料在其使用过程中，由于受载荷和环境 等因素的影响，会逐渐产生构件损伤以至于破坏，其主要破坏形式之一是疲劳损伤。材料在 疲劳载荷作用下，其应力-应变曲线会出现迟滞回线。对迟滞回线的理解是模拟和预测材料 疲劳损伤的关键。因此，研究复杂编织结构陶瓷基复合材料疲劳迟滞行为对其应用有着重 要意义。
[0003] 由于单向陶瓷基复合材料存在非纤维方向力学性能弱等缺点，其应用范围受到了 限制。二维，2.5维和三维复杂编织结构陶瓷基复合材料的出现，克服了单向复合材料的缺 点，同时在厚度方向上纤维束整体化更高，增加了材料层间剪切强度，减少了分层现象，并 提高了复合材料抗冲击性能和弯曲疲劳性能，因此大大扩展了陶瓷基复合材料的应用范 围。
[0004] 然而由于复杂编织结构陶瓷基复合材料是一种新型结构材料，国内外还没有高效 的方法预测其疲劳迟滞行为，也未见公开的发明专利。孔春元(孔春元，孙志刚，高希光，宋 迎东.2.5维C/SiC复合材料经向拉伸性能.复合材料学报，2012.)采用多尺度模型对2.5维 编织陶瓷基复合材料经向拉伸行为进行了模拟，得到了 2.5维C/SiC复合材料经向单轴拉伸 过程的应力-应变曲线。他的计算结果与试验结果较为一致，但是并没有给出循环载荷下的 疲劳迟滞回线。李龙彪(李龙彪.纤维增强陶瓷基复合材料疲劳迟滞回线模型研究[J].力学 学报，2014，05:710-729.)基于材料力学理论发展了二维和2.5维陶瓷基复合材料迟滞回线 预测模型，预测了循环加载下的迟滞回线。但是由于模型存在大量的假设，将编织结构简化 为一维模型，无法准确地给出复杂的细观应力场，因此这种方法不能够精确地预测出复杂 编织结构的疲劳迟滞行为。当前，如何准确的预测复杂编织结构陶瓷基复合材料的疲劳迟 滞行为是本技术领域重要而难以解决的问题。
【发明内容】
[0005] 针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种复杂编织结构陶瓷基复合材 料疲劳迟滞行为预测方法，以解决现有技术存在的不能够精确地预测出复杂编织结构的疲 劳迟滞行为的问题。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0007] -种复杂编织结构陶瓷基复合材料疲劳迟滞行为预测方法，包括如下步骤：
[0008] (1)基于有限元法，建立杂编织结构陶瓷基复合材料的单胞模型；
[0009] (2)基于单向迟滞理论，计算微观尺度下单元本构关系并获取拉伸失效应变；
[0010] (3)进入初始加载阶段，将其代入单胞模型，进行刚度折减；
[0011] (4)对单胞模型施加周期性边界条件；
[0012] (5)统计单胞模型平均应力和平均应变；
[0013] (6)进入卸载和重新加载阶段，计算该循环数下微观尺度疲劳性能；
[0014] (7)基于纤维破坏准则，判断微观尺度下是否失效，若失效，执行步骤(9)，否则执 行步骤(8);
[0015] (8)提取该循环内最大应变；
[0016] (9)基于最大应变失效准则，判定单胞尺度下是否失效，若该循环内最大应变小于 等于拉伸失效应变，循环数Cycle加 1，重新执行步骤(6)，否则执行步骤(10);
[0017] (10)疲劳失效，输出单胞尺度下材料疲劳迟滞回线，程序终止。
[0018] 所述步骤(1)中，用ANSYS建模仿真软件建立单胞模型。
[0019] 所述步骤(2)中，当复合材料出现损伤时，假设复合材料应变等于未损伤的纤维应 变，即
[0021] 上式中，表示复合材料应变，Ef表示纤维弹性模量，L表示基体裂纹间距，〇f(x)表 示纤维轴向应力，α。表示复合材料热膨胀系数，a f表示纤维热膨胀系数，ΛΤ表示复合材料制 备温度与工作温度之差；
[0022] 当界面部分脱粘时，卸载/重新加载界面部分滑移时卸载应变为：
[0024]当界面部分脱粘时，卸载/重新加载界面部分滑移时重新加载应变为：
[0026]当界面完全脱粘时，卸载/重新加载界面完全滑移时卸载应变为：
[0028]当界面完全脱粘时，卸载/重新加载界面完全滑移时重新加载应变为：
[0030]上述四式中￡c;_pu表示界面部分脱粘时的卸载应变，ε。#界面部分脱粘时的重新加 载应变，表示界面完全脱粘时的卸载应变，ε。^表示界面完全脱粘时的重新加载应变，σ 表示复合材料轴向应力，Vf表示纤维体积含量，Ti表示界面剪应力，rf表示纤维半径，y表示 卸载界面反向滑移长度，z表示重新加载新界面滑移长度，Ld表示界面脱粘长度。
[0031]所述步骤(3)中，设定计算载荷步数N,设定当前载荷步Loop = l;在单元坐标系下， 垂向和纵向方向弹性模量以及材料剪切模量按照下式进行折减：
[0034] 式中：Ei '为纤维束在垂向和纵向方向上折减后的弹性模量;为纤维束在垂向和 纵向方向上初始弹性模量;G。'为纤维束折减后的剪切模量;(?1为纤维束的初始剪切模量， g为纤维束横向方向上的初始弹性模量；
[0035] 其中，纤维束初始弹性模量和剪切模量都采用刚度平均法得到。
[0036]所述步骤(4)中，周期性边界条件为：
[0037] ui(ej)=ui(ej+Lj)；
[0038] 式中，?Η(ε」)为单胞中一点位移，Lj为单胞长度。
[0039] 所述步骤(5)中，先计算单胞横向方向应变和单胞平均应力，再计算单元新的弹性 模量，并赋给单元，然后计算并提取单胞模型经纱单元材料横向方向的最大应力值，最后输 出单胞平均应力和平均应变。
[0040] 所述步骤(6)中，卸载完成后，即得到微观尺度下疲劳迟滞回线。
[0041] 所述步骤(7)中，纤维破坏准则是纤维统计破坏准则，BP:
[0042] pf>q*，
[0043] 上式中，Pf为纤维断裂概率，q*为纤维失效体积分数临界值， 纤维威布尔模量；
[0044] 当材料满足上式时，纤维束发生破坏。
[0(Μ5]所述步骤(8)中，先给定计算载荷步数N,设定当前载荷步Loop = l，再提取N次循环 下单胞的最大应变。
[0046] 所述步骤(9)中，基于最大应变失效准则认为当材料应变达到最大值时，复合材料 发生失效，即：
[0047] 当上式成立时，材料发生疲劳失效，^max为允许的最大应变；
[0048]所述步骤(10)中，程序停止后即显示复杂编织结构陶瓷基复合材料单胞尺度下的 迟滞回线。
[0049] 本发明的有益效果是:本发明提供的基于多尺度的复杂编织结构陶瓷基复合材料 疲劳迟滞行为预测方法，考虑了基体开裂、纤维断裂、界面滑移和界面磨损等失效机理。提 出了考虑纤维/基体/孔隙的微观尺度模型和考虑经纱/炜纱/孔洞的单胞尺度预测模型。本 发明提出的多尺度模型可以给出复杂编织结构的细观应力应变场，因此能够精确的预测出 复杂编织结构陶瓷基复合材料的疲劳迟滞行为。
【附图说明】
[0050] 图1是2.5维单胞模型结构尺寸参数；
[0051] 图2是浅交弯联2.5维C/SiC编织复合材料完整的单胞模型和网格划分结果；