缝合式C/SiC复合材料非线性本构关系及断裂行为研究

C/SiC复合材料具有高比强度、高比模量和优良的热稳定性能等一系列优点, 广泛应用于航空航天领域中. 裂纹扩展进而引起的脆性断裂是其主要失效形式之一, 因而材料的断裂性能分析对材料的结构设计和应用有重要的指导意义. 本文开展了缝合式C/SiC复合材料简单力学试验和断裂试验, 研究了材料在不同载荷下的力学响应及断裂特征. 基于缝合式C/SiC复合材料简单力学试验, 建立了材料宏观非线性损伤本构方程, 并模拟了缝合式C/SiC复合材料单边切口梁和双悬臂梁的断裂行为. 本构方程采用简单函数描述了材料在复杂应力状态下的非线性应力-应变曲线, 并考虑了反向加载过程中造成的裂纹闭合. 基于商业有限元软件ABAQUS, 通过编写UMAT子程序实现非线性损伤本构方程, 采用单个单元验证了建立的本构方程的有效性. 在此基础上, 采用线弹性损伤本构和非线性损伤本构分别模拟了缝合式C/SiC复合材料单边切口梁和双悬臂梁的断裂行为. 采用非线性损伤本构方程模拟的力-位移曲线结果与试验结果更为吻合, 非线性损伤本构预测的失效载荷与试验失效载荷更为接近, 验证了所建立的非线性损伤本构方程的准确性, 为C/SiC复合材料断裂行为的研究提供了借鉴, 为缝合式C/SiC复合材料结构的设计和应用提供了理论基础.      

STUDY ON NONLINEAR CONSTITUTIVE RELATIONSHIP AND FRACTURE BEHAVIOR OF STITCHED C/SiC COMPOSITES$^{\bf 1)}$

C/SiC复合材料具有高比强度、高比模量和优良的热稳定性能等一系列优点, 广泛应用于航空航天领域中. 裂纹扩展进而引起的脆性断裂是其主要失效形式之一, 因而材料的断裂性能分析对材料的结构设计和应用有重要的指导意义. 本文开展了缝合式C/SiC复合材料简单力学试验和断裂试验, 研究了材料在不同载荷下的力学响应及断裂特征. 基于缝合式C/SiC复合材料简单力学试验, 建立了材料宏观非线性损伤本构方程, 并模拟了缝合式C/SiC复合材料单边切口梁和双悬臂梁的断裂行为. 本构方程采用简单函数描述了材料在复杂应力状态下的非线性应力-应变曲线, 并考虑了反向加载过程中造成的裂纹闭合. 基于商业有限元软件ABAQUS, 通过编写UMAT子程序实现非线性损伤本构方程, 采用单个单元验证了建立的本构方程的有效性. 在此基础上, 采用线弹性损伤本构和非线性损伤本构分别模拟了缝合式C/SiC复合材料单边切口梁和双悬臂梁的断裂行为. 采用非线性损伤本构方程模拟的力-位移曲线结果与试验结果更为吻合, 非线性损伤本构预测的失效载荷与试验失效载荷更为接近, 验证了所建立的非线性损伤本构方程的准确性, 为C/SiC复合材料断裂行为的研究提供了借鉴, 为缝合式C/SiC复合材料结构的设计和应用提供了理论基础.     

基于多尺度方法的三维编织C/C复合材料弯曲失效特性分析

为了预测三维编织C/C复合材料的弯曲失效行为,基于多尺度渐进展开理论,结合细观渐进损伤模型,建立了三维编织C/C复合材料宏细观多尺度分析模型。通过商业有限元软件ABAQUS用户子程序UMAT的二次开发,在宏观结构有限元分析中实时调用细观单胞模型进行细观渐进损伤分析,实现了宏细观尺度之间交互式信息传递和多尺度损伤模拟。利用上述模型对三点弯曲载荷下三维编织C/C复合材料梁的渐进损伤和失效过程进行了模拟,预测了梁的载荷-挠度曲线和弯曲强度,并与实验结果进行了对比分析,验证了基于多尺度方法的三维编织C/C复合材料弯曲强度预测模型的有效性,为此类材料及结构失效分析提供了一种手段。     

复合材料厚板双轴非线性渐进失效分析

为计算复合材料厚板在三维应力状态下的极限承载,综合考虑复合材料厚板的三维应力特性和厚板的本构理论,基于非线性本构关系与增量步迭代法,以Hashin 3D失效准则为单层板失效判据;当层压板中有一层或多层被检测到失效时,对失效层进行刚度折减,并在增量过程中不断更新刚度矩阵。同时,对航空结构件中使用的复合材料厚层压板进行了双轴载荷下的渐进失效过程模拟,分别计算了两种碳纤维环氧复合材料单向带在两种铺层形式以及三种载荷工况下的初始失效和极限承载包线;并给出了不同的铺层和材料组合下层压板的初始失效与最终失效强度包线及每一段所代表的失效模式,展示了层压板的渐进失效过程。本文研究方法解决了对复合材料厚层压板失效过程状态的跟踪与判定问题,同时又不必去建立复杂的三维有限元模型,减小了计算量。     

静应力作用下的层合板接头损伤失效分析

基于单层板理论,结合有限元分析技术即应力分析、Hashin三维失效判定准则、包含4种基本损伤类型相互关联作用的材料性能退化方法及结构最终破坏判据等,建立了含辅助铺层层合板接头静载损伤失效分析方法. 同时,对层合板接头损伤扩展进行了模拟分析,损伤计算结果与试验分级加载试样X光进行了对比. 通过多种类型层合板接头静强度预测结果与试验结果对比及静载累积损伤规律分析表明,建立的静载三维累积损伤分析的强度预测方法可方便模拟不同结构尺寸层合板接头内部各铺层损伤起始、发展及结构最终破坏整个累积过程,同时获得其最终破坏强度及破坏模式. 该方法的预测结果与试验结果吻合较好.      

含冲击损伤高强中模碳纤维复合材料层压板压缩剩余强度分析与试验验证

论文以碳纤维复合材料层压板为研究对象,发展了一种模拟复合材料层压板冲击及冲击后压缩的一体化数值分析方法．基于Puck 失效准则和粘聚区模型描述层内损伤与层间损伤,分别采用基于断裂能的双线性型、函数型以及直接折减型等不同损伤折减方法构建了层内损伤预测与演化模型;建立了碳纤维复合材料冲击后压缩数值仿真模型,通过开展不同能量冲击后压缩试验,验证了所发展的数值分析方法的有效性;研究结果表明,采用Puck 失效准则和基于断裂能的双线性损伤演化模型预测冲击后压缩强度时具有较高精度．     

复合材料分层断裂判据及扩展准则研究

针对现有层间开裂判据及扩展准则未考虑断裂模式耦合性的现状,本文提出了基于模式混合度的复合材料分层断裂判据及扩展准则。依此模型计算了蒙皮/凸缘复合材料加筋层合板结构的分层扩展行为。计算结果表明,所提出的开裂判据及扩展准则能够较好的预测蒙皮/凸缘复合材料加筋层合板结构的断裂力学行为,所得结果对确定含损伤复合材料加筋层合板结...     

含冲击损伤复合材料层板及加筋壁板剩余强度研究

应用含刚度折减的椭圆形弹性核模拟了层板的损伤问题,研究了复合材料层板及加筋壁板冲击后的剩余强度问题。利用含椭圆核各向异性杂交应力有限单元对损伤层板进行了应力分析,采用基于特征曲线概念的点应力判据预测了含损伤层板、加筋壁板的剩余强度;基于Abaqus用户子程序uel实现了该方法在工程中的应用,并讨论各种参数对剩余强度的影响。研究结果表明此方法是有效的。     

含材料非线性的复合材料单钉接头累积损伤分析

发展了静拉伸复合材料接头层合板三维逐渐损伤模型,考虑了单层复合材料在材料1-2面及3-1面上具有明显非线性剪切应力-应变关系的叠层非线性效应,结合有限元技术即应力分析、失效判定准则及损伤过程中材料性能退化等,对接头层合板损伤扩展进行了模拟,结果表明考虑材料非线性的影响与实验结果吻合更好.     

高温环境下T300/BMP350拉伸力学行为研究

对不同温度下的耐高温树脂基复合材料T300/BMP350的0°和90°单向层合板进行静载拉伸实验,得到材料在不同温度下的应力-应变响应,分析了温度对材料的力学性能影响。通过高温应变片采集到材料在高温环境下的热输出和破坏时的极限应变,分析了材料的热行为。通过分析材料的应力-应变曲线和失效模式,研究了材料的损伤和失效机理。研究结果表明:T300/BMP350树脂基复合材料具有很好的耐高温性能。高温下0°方向的拉伸强度和模量保持率达到80%以上,90°方向的拉伸强度和模量保持率可以达到50%以上。高温环境对材料的极限应变影响不大,材料破坏模式均为脆性破坏。基于实验结果,对材料的强度随温度的变化进行拟合,预测了该材料在350℃时0°和90°的拉伸强度。     

2D-C/SiC复合材料的单轴拉伸力学行为及其强度

通过单调拉伸和循环加卸载试验, 研究了平纹编织C/SiC复合材料的损伤演化过程及其应力-应变行为. 结果表明, 残余应变、卸载模量和外加应力的关系曲线与拉伸应力-应变曲线具有类似的形状. 基于剪滞理论和混合率建立了材料的损伤本构关系和强度模型, 分析计算表明, 残余应变主要由裂纹张开位移和裂纹间距决定, 而卸载模量主要由界面脱粘率决定; 材料的单轴拉伸行为主要由纵向纤维束决定, 横向纤维对材料的整体模量和强度贡献较小. 理论模拟结果与试验值吻合较好.      

Failure criteria for C/SiC composites under plane stress state

The applicability and limitation of several quadratic strength theories were investigated with respect to 2D-C/SiC and 2.5D-C/SiC composites. A kind of damage-based failure criterion, referred to as D-criterion, is proposed for nonlinear ceramic composites. Meanwhile, the newly developed criterion is preliminarily validated under tension-shear combined loadings. The prediction shows that the failure envelope given by D-criterion is lower than that from Tsai-Hill and Hoffman criteria. This reveals that the damage-based criterion is reasonable for evaluation of damage-dominated failure strength.     

三维编织复合材料渐进损伤的非线性数值分析

基于考虑纤维束相互挤压的八边形纤维束截面单胞模型，引入周期性位移边界条件，采用 细观非线性有限元方法，建立了三维四向编织复合材料的渐进损伤拉伸强度模型. 该模型考 虑了增强体纤维束纵向非线性剪切应力-应变关系，采用Hashin型损伤失效准则定义了纤维 束的典型损伤类型，并根据纤维束和纯基体相应损伤类型所造成的材料性能退化，模拟了不 同编织角试件各类损伤产生、扩展及材料最终破坏的整个过程. 模型数值结果与实验数据吻 合较好，证明了该模型的合理有效性. 探讨了组分材料剪切非线性、损伤对材料宏观非线性 本构行为的影响，结果表明：随着编织角增大，纤维束剪切非线性效应和累积损伤对材料非 线性力学行为的影响明显增强.     

2D-C/SiC复合材料应变率相关的动态本构模型

分别在电子万能实验机和SHPB（split Hopkinson press bar）实验装置上对2D-C/SiC复合材料进行了静态、动态实验,探讨了该材料在10-4~2.8103 s-1的应变率范围内的层向压缩力学性能。实验结果表明,在动态加载条件下,2D-C/SiC复合材料的应力应变呈非线性关系。随着应变率的提高,破坏强度提高、失效应变减小,弹性模量增加。弹性模量与对数应变率基本呈线性关系。提出了一个含有与应变率相关的损伤变量的动态本构方程,该方程与实验结果吻合较好。     

陶瓷颗粒增强金属基复合材料的细观强度分析

陶瓷颗粒增强金属基复合材料的失效主要有界面脱粘、增强粒子开裂等新的细观结构损伤机制。为了减小这些不足并对细观失效过程有一个清晰的了解,近来人们对金属基复合材料进行了大量研究,在此基础上,本文用细观力学的方法和损伤模型研究了陶瓷颗粒增强金属基复合材料的强度和损伤失效。为了计算方便,陶瓷颗粒简化为在复合材料中随机分布的椭球形粒子,然后以二相胞元模型计算分析了金属基体、颗粒中的应力应变分布情况,结果表明,基体中应力极不均匀,界面区存在应力集中,并计算了界面弧形裂纹扩展时的能量。最后分别提出了基体,颗粒和界面的失效强度准则,本文结果对于颗粒增强金属基复合材料具有普遍的实用性。     

三维编织复合材料渐进损伤的非线性模型及强度分析

建立了考虑周期性位移边界条件的细观体胞模型,对三维编织复合材料的渐进损伤过程进行数值模拟。采用Eshelby-Mori—Tanaka方法计算含损伤裂纹的材料的剐度矩阵,并将有限元网格尺寸和单元裂纹尺寸引入损伤演化方程,有效地降低了模拟结果对有限元网格的依赖程度。通过计算得到了材料应力应变的非线性关系和失效时的极限强度,并分析了材料的破坏机理。结果表明,大编织角材料的破坏模式主要是基体失效与纤维横向拉剪破坏,模拟计算结果与文献中的实验值吻合较好。     

三维五向编织复合材料渐进损伤分析及强度预测

基于材料连续体细观结构单胞,提出了材料的三维渐进损伤分析模型,采用非线性有限元方法并结合均匀化平均思想,首次建立了三维五向编织复合材料的强度预测模型。经研究典型编织角材料在拉伸载荷作用下细观损伤的发生及演化过程,分析了材料的细观失效机理,获得了材料的宏观拉伸应力应变曲线和极限破坏强度,并详细探讨了主要工艺参数编织角对材料宏观力学性能的影响规律。     

热环境中旋转运动功能梯度圆板的强非线性固有振动

研究热环境中旋转运动功能梯度圆板的非线性固有振动问题．针对金属－陶瓷功能梯度圆板,考虑几何非线性、材料物理属性参数随温度变化以及材料组分沿厚度方向按幂律分布的情况,应用哈密顿原理推得热环境中旋转运动功能梯度圆板的非线性振动微分方程．考虑周边夹支边界条件,利用伽辽金法得到了横向非线性固有振动方程,并确定了静载荷引起的静挠度．用改进的多尺度法求解强非线性方程,得出非线性固有频率表达式．通过算例,分析了旋转运动功能梯度圆板固有频率随转速、温度等参量的变化情况．结果表明,非线性固有频率随金属含量的增加而降低;随转速和圆板厚度的增大而升高;随功能梯度圆板表面温度的升高而降低．     

2D编织陶瓷基复合材料应力-应变行为的试验研究和模拟

本文对2D编织陶瓷基复合材料拉伸应力-应变行为进行了试验研究和理论模拟。将2D编织结构简化为：正交铺层结构和纤维束波动结构。基于基体随机开裂、纤维随机断裂的统计分布理论,得到正交铺层结构的应力-应变关系;基于体积平均方法,将纤维束波动部分分割为若干子单元;由于纤维束的波动使各子单元材料方向与加载方向不一致,因此考虑了各子单元的线性行为和非线性行为对材料响应的影响,同时引入强度分析模型,得到纤维束波动部分的应力-应变关系。结合正交铺层部分和纤维束波动部分的应力-应变关系,得到2D编织结构的应力-应变行为,理论与试验吻合较好。