復雜預制體陶瓷基復合材料疲勞失效機理及多尺度模擬.pdf

1、目前，陶瓷基復合材料（CMCs）已經在航空航天領域中獲得了初步應用，并展現出光明的應用前景。工程應用中的CMCs通常具有復雜的預制體結構，在不同尺度下呈現出不同的損傷模式，其最終失效也是多尺度損傷演化的共同結果。本文據此背景，以針刺C/SiC陶瓷基復合材料為研究對象，對復雜預制體CMCs的疲勞失效機理和多尺度力學分析方法開展了深入研究。
　　開展了C/SiC小復合材料、針刺單向C/SiC陶瓷基復合材料和針刺二維C/SiC陶瓷基復合

2、材料三種CMCs（預制體由簡單到復雜）的力學試驗研究。獲取了C/SiC小復合材料單調拉伸特性和拉伸加卸載特性、針刺單向C/SiC陶瓷基復合材料拉-拉疲勞特性以及針刺二維C/SiC陶瓷基復合材料的拉-拉疲勞特性；發(fā)現了針刺二維C/SiC陶瓷基復合材料的疲勞強化特性，并討論了疲勞強化程度與應力水平和加載循環(huán)數之間的關系。
　　采用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡對上述三種CMCs的失效斷口進行了觀察分析。參照單向纖維增強CMCs失效機制，對

3、C/SiC小復合材料的失效過程進行了分析；通過對比失效斷口形貌和細觀損傷模式，對針刺單向C/SiC陶瓷基復合材料疲勞失效機制、針刺二維C/SiC陶瓷基復合材料疲勞失效機制和疲勞強化機制進行了討論；在失效機理分析基礎上，發(fā)展了一種基于wear-in和wear-out機制的剩余強度模型，揭示了針刺二維C/SiC陶瓷基復合材料疲勞剩余強度隨加載循環(huán)數的變化規(guī)律。
　　由于復雜預制體CMCs疲勞損傷演化的不均勻性，其內部小復合材料將經歷復

4、雜載荷歷程。為了解決小復合材料復雜載荷歷程應力-應變響應的模擬，進而實現復雜預制體CMCs疲勞失效分析，發(fā)展了一種基于界面滑動摩擦的細觀力學模型。不同于傳統(tǒng)的剪滯模型，它由纖維/基體界面的滑動摩擦定律出發(fā)，可以直接求解出界面滑移區(qū)的分布和演變。應用該模型分析了單向纖維增強CMCs的界面滑移規(guī)律，并進而實現了復雜載荷歷程應力-應變響應的預測和疲勞性能的模擬。與單向纖維增強SiC/CAS復合材料和C/SiC小復合材料試驗數據的對比表明，該模

5、型可以很好預測單向纖維增強CMCs的應力-應變響應和疲勞壽命。
　　針對具有復雜預制體的針刺C/SiC陶瓷基復合材料，提出了一種多尺度力學分析方法。采用XCT技術選取復合材料的代表體元，代表體元內的基本組元——小復合材料——的力學特性則采用本文提出的細觀力學模型來描述，通過非線性有限元計算便可模擬復合材料應力-應變響應，在此基礎上引入疲勞失效判據，最終實現了對復合材料疲勞壽命的預測。與試驗數據的對比表明，該多尺度方法能較好地預測針