[发明专利]一种模拟陶瓷基复合材料失效机理的统一代表性体积元

说明书

本发明涉及一种模拟陶瓷基复合材料失效机理的统一代表性体积元，将陶瓷基复合材料的三种失效模式，即基体开裂、界面脱粘和纤维断裂，统一地采用一个代表性体积元进行研究。包括：基体、纤维、界面层和横向裂纹。基体和纤维都定义为脆性材料，为实体单元，分别采用Stassi准则和最大应力准则判定其失效，分别模拟了第一种和第三种失效模式。界面层和横向裂纹采用零厚度内聚力单元进行模拟，当外部载荷达到一定水平，内聚力单元失效，基体开裂或者界面脱粘，分别模拟了第一种和第二种失效模式。本发明克服了目前研究常采用的迟滞理论局限于一维应力假设的缺陷，对陶瓷基复合材料在多轴载荷状态下的变形行为描述更为准确。

技术领域

本发明属于高温结构强度领域，具体涉及一种模拟陶瓷基复合材料失效机理的统一代表性体积元，其能将基体开裂、界面脱粘和纤维断裂三种失效模式，统一地采用一个代表性体积元进行研究。

背景技术

陶瓷基复合材料一般由碳纤维或碳化硅纤维与高性能陶瓷基体复合而成，增强体和基体均为脆性材料。然而，不论是在拉伸、剪切还是压缩载荷下，陶瓷基复合材料的应力应变关系均表现出明显的非线性行为。以单轴拉伸载荷为例，初始加载时基体内即存在缺陷或微裂纹，但此时应力-应变曲线基本为线性；在单向拉伸载荷下基体内缺陷区域产生应力集中首先萌生裂纹，随着应力增加到一定水平，基体微裂纹开始沿着垂直于载荷的方向扩展，当裂纹扩展到基体与纤维束交界面处，将发生偏转，引发纤维束与基体脱粘，裂纹不断累积并横向贯通，使得应力-应变曲线发生偏转；随着载荷继续增大，纤维束内部出现裂纹，导致纤维脱粘、滑移，应力-应变曲线再次发生偏转；最后，当失效纤维体积百分数达到临界值时，材料最终失效。综上所述，陶瓷基复合材料的失效模式可分为基体开裂、界面脱粘和纤维断裂三类。

对于基体开裂，常采用断裂力学方法研究基体裂纹的萌生和扩展行为，如应力强度因子门槛值和Paris公式等，这是一种纯解析理论方法。目前对于基体开裂主要关注I型裂纹，对于II/III型裂纹研究较少。

对于界面脱粘，解析模型方面采用迟滞理论研究纤维的拔出和滑移过程，解析方法处理复杂载荷的能力较弱，不能研究横向载荷的作用，常采用一维应力假设，研究纤维受轴向载荷作用时的界面脱粘行为。数值模拟方面采用内聚力单元模拟纤维/基体的脱粘过程，可以模拟多轴载荷作用下的界面脱粘演化过程。

对于纤维断裂，纤维沿其长度方向的强度分布是不均匀的，某一长度的一段纤维的强度由其最薄弱处的强度决定。而从整体上表现出来，相同长度的纤维之间相互比较，其强度也是不同的，具有随机性。针对这一现象，已有大量学者采用威布尔分布模型来模拟纤维强度的概率特征，并通过研究指出，纤维强度的概率分布特征对陶瓷基复合材料的宏观力学性能具有较大影响。

目前对于以上三种失效模式都分别有研究，但都是各自独立的研究模型，缺乏一个统一的模型，将以上三种模式进行串联研究。本发明提出一种模拟陶瓷基复合材料失效机理的统一代表性体积元，能将基体开裂、界面脱粘和纤维断裂三种失效模式统一地采用一个代表性体积元进行研究。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术将基体开裂、界面脱粘和纤维断裂三种失效模式分离研究的缺陷，提出一种模拟陶瓷基复合材料失效机理的统一代表性体积元，最大程度上还原失效过程。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：一种模拟陶瓷基复合材料失效机理的统一代表性体积元，包括基体、纤维、界面层和横向裂纹，基体和纤维都定义为脆性材料，为实体单元，分别采用Stassi准则和最大应力准则判定其失效，分别模拟了第一种和第三种失效模式；界面层和横向裂纹采用内聚力单元进行模拟界面层和横向裂纹采用零厚度内聚力单元进行模拟，当外部载荷达到一定水平，内聚力单元失效，基体开裂或者界面脱粘，分别模拟了第一种和第二种失效模式；即将陶瓷基复合材料的三种失效模式，即基体开裂、界面脱粘和纤维断裂，统一地采用一个代表性体积元进行研究。