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原文传递一种单向陶瓷基复合材料蠕变行为预测方法

专利名称：	一种单向陶瓷基复合材料蠕变行为预测方法
摘要：	本发明公开了一种单向陶瓷基复合材料蠕变行为预测方法，基于粘结区纤维和基体应变相同，得到不同蠕变应力和时间下粘结区纤维和基体应力，并进一步得到基体裂纹密度的变化。结合剪滞模型，获得了蠕变过程纤维应力变化，考虑了纤维失效以及失效纤维承担的载荷，最终计算出单向陶瓷基复合材料的蠕变曲线。本发明能够准确预测出单向陶瓷基复合材料在不同温度与蠕变应力水平下的蠕变曲线，而且揭示了材料内部组分的细观失效机理。另一方面，计算的整个过程简洁高效，克服了实验方法成本高、耗时长的缺点。
专利类型：	发明专利
申请人：	南京航空航天大学
发明人：	宋迎东;韩笑;高希光;鞠晓蓉;于国强;张盛
专利状态：	有效
申请日期：	1900-01-20T19:00:00+0805
发布日期：	1900-01-20T17:00:00+0805
申请号：	CN201911316835.7
公开号：	CN111024486A
代理机构：	南京钟山专利代理有限公司
代理人：	陈月菊
分类号：	G01N3/00;G01N3/06;G16C60/00;G;G01;G16;G01N;G16C;G01N3;G16C60;G01N3/00;G01N3/06;G16C60/00
申请人地址：	210016 江苏省南京市江宁区将军大道29号
主权项：	1.一种单向陶瓷基复合材料蠕变行为预测方法，其特征在于，所述预测方法包括： S1：设定蠕变应力和蠕变时间； S2：在当前蠕变应力和蠕变时间条件下，计算单向陶瓷基复合材料粘结区内纤维和基体应力，并判断是否产生基体裂纹，若没有产生基体裂纹，则转至执行步骤S5，否则执行步骤S3； S3：基于临界基体应变能确定平均基体裂纹间距； S4：基于粘结区纤维应力分布确定相邻两个裂纹之间纤维应力分布； S5：基于纤维应力分布和纤维强度分布，确定纤维失效个数，判断纤维是否完全失效，若完全失效，则结束流程，否则计算断裂纤维和剩余完好纤维应力分布，进入步骤S6； S6：计算材料应变，并输出，重复上述步骤S2-S5，直至材料失效或者蠕变达到规定时间，结束流程。 2.根据权利要求1所述的单向陶瓷基复合材料蠕变行为预测方法，其特征在于，步骤S2中，所述在当前蠕变应力和蠕变时间条件下，计算单向陶瓷基复合材料粘结区内纤维和基体应力的过程包括以下步骤： S21：在单向陶瓷基复合材料蠕变过程中，设粘结区纤维和基体应变相同，则粘结区纤维和基体应力满足如下所示的方程组：其中，σf0,σm0分别为粘结区纤维和基体应力，Ef,Em为纤维和基体的弹性模量，vf,vm分别为纤维和基体的体积分数，σ为单向陶瓷基复合材料蠕变应力，t为蠕变时间，Af,Am为常数，Pf1,Pm1表示与纤维和基体蠕变应力相关的常数，Pf2,Pm2为与纤维和基体蠕变时间相关的常数； S22：求解前述方程组得到粘结区纤维和基体的应力大小。 3.根据权利要求1所述的单向陶瓷基复合材料蠕变行为预测方法，其特征在于，步骤S2中，所述判断是否产生基体裂纹的依据为：若粘结区基体应力小于基体开裂应力，判定为没有产生基体裂纹，整根材料上的纤维应力均为粘结区纤维应力；否则，判定为产生基体裂纹。 4.根据权利要求2所述的单向陶瓷基复合材料蠕变行为预测方法，其特征在于，步骤S3中，所述基于临界基体应变能确定平均基体裂纹间距的过程包括以下步骤： S31：确定临界基体应变能准则为： Um＝Ucrm 式中，Um,Ucrm分别为基体应变能和临界基体应变能，其中Um可以表示为：其中，σm为平均基体裂纹间距内基体应力分布，Sm为基体的面积，L为平均基体裂纹间距； S32：将临界基体开裂应力σmcr带入前述基体应变能公式得到Ucrm；将粘结区基体应力带入前述基体应变能公式，并结合临界基体应变能准则，得到当前蠕变载荷和蠕变时间下平均基体裂纹间距，计算公式如下所示：式中，Ld为界面脱粘长度，其表达式如下所示：其中，τi为纤维/基体之间的界面摩擦力，rf为纤维半径。 5.根据权利要求4所述的单向陶瓷基复合材料蠕变行为预测方法，其特征在于，步骤S4中，所述基于粘结区纤维应力分布确定相邻两个裂纹之间纤维应力分布的过程包括以下步骤： S41：在当前载荷下，当界面脱粘长度大于基体裂纹间距的一半，判定界面完全脱粘，否则为界面部分脱粘； S42：基于剪滞模型，界面部分脱粘时，纤维应力分布如下所示：界面完全脱粘时，纤维应力分布如下所示： 6.根据权利要求1所述的单向陶瓷基复合材料蠕变行为预测方法，其特征在于，步骤S5中，所述基于纤维应力分布和纤维强度分布，确定纤维失效个数的过程包括以下步骤： S51：试验获得高温下纤维单丝强度数据； S52：获得高温下纤维缺陷强度分布； S53：将纤维应力与纤维强度进行比较，确定纤维失效个数。 7.根据权利要求5所述的单向陶瓷基复合材料蠕变行为预测方法，其特征在于，步骤S5中，所述计算断裂纤维和剩余完好纤维应力分布是指，根据下述公式计算失效纤维承担的载荷大小：其中，Lbi表示第i个失效纤维断裂位置与裂纹平面的距离；基于裂纹平面处力的平衡方程，计算未断裂纤维在外载σ下实际承受的载荷应力σ'：其中，N表示纤维总数。 8.根据权利要求1所述的单向陶瓷基复合材料蠕变行为预测方法，其特征在于，步骤S6中，计算材料应变，并输出，重复上述步骤S2-S5，直至材料失效或者蠕变达到规定时间是指，将未断裂纤维在外载σ下实际承受的载荷应力σ'作为当前蠕变应力代入步骤S2，并重复执行步骤S2-S5，直至当前载荷和蠕变时间下，不再有纤维继续发生失效或者纤维全部发生失效。 9.根据权利要求5所述的单向陶瓷基复合材料蠕变行为预测方法，其特征在于，所述预测方法还包括： S7：将纤维应力分布公式带入如下所示的公式计算完好纤维应变：其中，αf,αc分别为纤维和复合材料的热膨胀系数，ΔT为材料制备温度与蠕变温度的差值；根据完好纤维应变得到复合材料应变。
所属类别：	发明专利