[发明专利]编织陶瓷基复合材料应力-应变响应和强度的预测方法

说明书

本发明公开了一种编织陶瓷基复合材料应力‑应变响应和强度的预测方法，其特征是制备与编织CMCs原位性能相同的带基体纤维束，通过对带基体纤维束建立单胞有限元模型，对单胞有限元模型进行有限元计算，得到带基体纤维束的应力‑应变响应，应力‑应变曲线上应力的最大值即为编织CMCs的强度。本发明提供的基于纱线力学行为的编织CMCs应力‑应变响应和强度的预测方法，不需要以纤维、基体和纤维/基体界面的力学性能作为输入量，仅需测量纱线的力学性能，可以省去大量的组分材料性能测试试验，也可以避免组分材料性能测试分散性带来的预测误差，因此可以大大提高预测过程的效率和预测结果的准确性。

技术领域

本发明涉及一种复合材料力学性能预测方法，特别是一种编织陶瓷基复合材料应力-应变响应和强度的预测方法。

背景技术

编织陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composite:以下简称CMCs)具有耐高温、高比强度、高比模量、对缺口不敏感以及材料性能可设计性强等优点，是下一代航空发动机高温部件的理想材料。应力-应变响应和强度是编织CMCs最重要的两个力学性能，因为应力-应变响应会影响编织CMCs结构件的变形，而强度则涉及编织CMCs结构件的破坏。

编织CMCs由于在编织CMCs内部，纱线之间交叉连接，构成编织CMCs的骨架。纱线又有纤维、基体和纤维/基体间的界面层构成。目前学者们在预测编织CMCs力学性能如应力-应变响应和强度时，往往是基于纤维、基体和界面的力学性能。如中国专利CN103366085A公开的一种编织复合材料力学性能的多尺度预测方法和中国专利CN108197398A公开的一种预测基于空间群P4的三维编织复合材料失效的有限元方法，都是利用纤维、基体和界面的力学性能来预测编织复合材料的力学性能。然而采用这种方法时，需要纤维体积分数、纤维弹性模量、纤维强度分布、基体体积分数、基体弹性模量、基体强度和界面剪切强度等细观材料参数，而这些参数的测量需要大量的试验，且测量结果分散性较大，这就造成预测编织CMCs应力-应变响应和强度的过程效率很低，且预测结果的准确性难以保证。

当前，如何高效而准确地预测编织CMCs的应力-应变响应和强度是本技术领域重要而难以解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，而提供一种编织陶瓷基复合材料应力-应变响应和强度预测方法，包括如下步骤：

步骤1：制备与编织陶瓷基复合材料内部纱线性能相同的带基体纤维束；

步骤2：对所述的带基体纤维束进行单向拉伸试验，得到其应力-应变曲线，获得其初始轴向弹性模量；

步骤3：建立编织陶瓷基复合材料单胞模型；

步骤4：对所述的单胞模型进行网格划分，得到单胞有限元模型，对单胞有限元模型施加初始位移；

步骤5：对所述的单胞有限元模型中的所有纱线单元赋予材料参数，所有纱线单元的轴向弹性模量等于所述的带基体纤维束应力-应变响应的初始轴向弹性模量；

步骤6：对所述的单胞有限元模型进行有限元计算，得到单胞有限元模型中所有纱线单元的应力分布；

步骤7：提取所有纱线单元中每个纱线单元的轴向应力值σ_i，将所述的轴向应力值σ_i代入到带基体纤维束的应力-应变曲线中，得到每个纱线单元的应变值ε_i，将E_i＝σ_i/ε_i作为新的轴向弹性模量赋给每个纱线单元，E_i为每个纱线单元的新的轴向弹性模量；

步骤8：重复步骤6和步骤7，直至每个纱线单元的新的轴向弹性模量E_i都收敛；

步骤9：计算所述的单胞有限元模型的平均应力和平均应变