[发明专利]一种陶瓷基复合材料疲劳极限的快速预测方法

说明书

一种陶瓷基复合材料疲劳极限的快速预测方法，在疲劳过程中考虑到了基体开裂、界面脱粘以及滑移、界面磨损和纤维断裂等因素的影响，建立了一种复合材料的疲劳极限状态，并且考虑复合材料内部纤维单丝可能存在断头，提出了一种能计算纤维单丝断头概率的模型，提高了计算的疲劳极限载荷的准确性，这样能快速的计算得到陶瓷基复合材料的疲劳极限载荷。本发明中计算得的疲劳极限载荷所需要的大部分参数都可以通过实验得到，使用本发明所提供的方法能够很快速的得到材料的疲劳极限载荷。疲劳极限载荷代表着材料在永不疲劳的前提下所能够承受的最大载荷，可以用来判断材料的工作环境是否合适。

技术领域

本发明属于陶瓷基复合材料领域，具体涉及一种陶瓷基复合材料疲劳极限的快速预测方法，特别是一种能快速有效预测小复合材料疲劳极限的方法。

背景技术

随着科技的发展，陶瓷基复合材料具有高比强度、高比刚度、耐高温和低密度等优点，在航空发动机燃烧室和尾喷管调节片等部件上有着广泛的应用前景。复合材料构件在使用过程中，往往会由于应力和环境因素而产生损伤以至破坏，其中疲劳损伤为其主要破坏形式之一。疲劳损伤的产生、扩展与积累会加剧材料的环境与应力腐蚀，加速材料的老化，造成材料耐环境性能严重下降和强度与刚度的急剧损失，大大降低材料的使用寿命，甚至会造成灾难性后果。所以，对复合材料及其制件的抗疲劳性能进行研究是极为重要的。

由于陶瓷基复合材料是一种新型结构材料，一部分学者通过对于陶瓷基复合材料疲劳寿命预测来对其抗疲劳性能进行研究，吴富强(吴富强.纤维增强复合材料疲劳寿命预测研究[D].南京航空航天大学，2005.)对纤维增强复合材料进行了疲劳寿命研究，提出了一种S-N曲线模型，实现了对纤维增强复合材料的疲劳寿命预测；朱元林(朱元林.碳/碳复合材料疲劳寿命预测模型与分析方法研究[D].南京航空航天大学，2012)对碳/碳复合材料进行了疲劳寿命预测，预测结果也与试验结果一致，但是这些预测都只是预测到了陶瓷基复合材料的疲劳寿命，而疲劳寿命的预测往往需要一个循环一个循环去计算，在实际应用中材料疲劳寿命较长，使用循环计算的方法来预测材料的疲劳寿命需要花费大量的时间。疲劳极限状态作为陶瓷基复合材料疲劳的极限状态，可以很好地反映材料在疲劳损伤中不破坏的情况下所能承受的最大载荷，疲劳极限代表着材料在疲劳极限载荷下可以达到永不疲劳，不会发生疲劳破坏。所以如何快速地得到材料的疲劳极限对于材料在实际中应用有着很大的意义，也是本技术领域很重要且难以解决的问题。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种陶瓷基复合材料疲劳极限的快速预测方法，旨在解决陶瓷基复合材料疲劳寿命在实际应用中需要花费大量时间测量导致无法快速判断材料是否能够在某种工作环境下达到永不疲劳要求的问题。

这里的疲劳极限是指材料在疲劳过程中到达某种极限状态时未被破坏且永远不会破坏时所承受的最大载荷，而根据复合材料的疲劳机理，复合材料在经过基体开裂、界面脱粘与滑移、界面磨损退化以及纤维断裂等等之后未破坏的极限状态就是界面完全脱粘，材料完全由纤维承载，这种状态就是疲劳极限状态，本发明提出了一种在疲劳极限状态下计算疲劳极限载荷的模型；并且结合实际材料制备过程中纤维单丝可能会存在断头的情况，而存在断头的纤维单丝在疲劳极限状态下无法承载，提出了一种计算纤维单丝存在断头的概率的模型，得到了疲劳极限状态下总纤维数中不存在断头的纤维数；通过对一部分随机选择的纤维单丝进行强度测量，来模拟材料内部纤维单丝的强度分布。通过试验方法测得材料的参数以及纤维单丝强度分布即可实现复合材料疲劳极限的预测。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种陶瓷基复合材料疲劳极限的快速预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、提出了一种疲劳极限状态，此状态下小复合材料基体与纤维完全脱粘，但是材料未破坏，此时材料所受载荷完全由纤维承载；