[发明专利]一种编织陶瓷基复合材料强度的多尺度预测方法

说明书

一种编织陶瓷基复合材料强度的多尺度预测方法，首先利用参数化的方法建立编织陶瓷基复合材料单胞模型，模型中包括纱线和基体，并进行周期性网格划分。随后采用细观力学的方法模拟纱线单元的力学行为，同时采用应变转换矩阵将纱线单元刚度矩阵由局部坐标系转换到整体坐标系。最后通过施加增量型的周期性边界条件，计算获得单胞的细观应力、应变场。采用体积平均法获得编织陶瓷基复合材料宏观应力和应变。若形成贯穿单胞的失效单元带，即认为编织陶瓷基复合材料发生失效，此时的单胞平均应力即为编织陶瓷基复合材料的强度。本发明采用了宏细观结合的多尺度分析方法，无需依赖于大量的耗时且成本高昂的试验，即可准确预测编织陶瓷基复合材料的强度。

技术领域

本发明属于复合材料强度预测方法技术领域，具体涉及一种编织陶瓷基复合材料强度的多尺度预测方法。

背景技术

陶瓷基复合材料具有比刚度大、比强度高、耐高温、耐腐蚀、密度低等诸多优点，在航空、航天、核电等行业的热端部件上具有广泛的应用前景。陶瓷基复合材料按照其纱线结构一般可以分为单向、层合、编织等形式。在工程应用中，陶瓷基复合材料结构件一般为编织结构。为了更加高效、安全地应用陶瓷基复合材料，需要对编织陶瓷基复合材料强度进行预测。

编织陶瓷基复合材料细观几何结构及损伤失效模式复杂，对其强度进行多尺度预测技术难度较大。目前常用的主要有层合板理论及损伤力学方法。Jacobsen等(Jacobsen,T.K.,&Brondsted,P.(2001).Mechanical properties of two plain-woven chemicalvapor infiltrated silicon carbide-matrix composites.Journal of the AmericanCeramic Society,84(5),1043-1051.)采用层合板的理论预测了平纹编织陶瓷基复合材料的失效强度。尽管层合板理论是一种有效的预测面内性能的方法，然而编织陶瓷基复合材料的真实细观应力应变分布却要比层合板理论所假设的要复杂得多。此外，层合板理论还无法适用于三维编织陶瓷基复合材料。杨成鹏等(Yang,C.P.,et al.(2015).Damage-basedfailure theory and its application to 2D-C/SiC composites.Composites Part a-Applied Science and Manufacturing,77:181-187.)提出了一种新的损伤耦合的分析方法。然而，这一方法是一种依赖于试验结果的唯象分析方法，无法分析编织陶瓷基复合材料的细观失效过程。由此可见，编织陶瓷基复合材料强度的多尺度预测方法是本技术领域一项重要而难以解决的关键技术。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种编织陶瓷基复合材料强度的多尺度预测方法，无需过度依赖于试验结果，能够模拟编织陶瓷基复合材料细观应力应变分布，分析编织陶瓷基复合材料的细观失效过程。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种编织陶瓷基复合材料强度的多尺度预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：获取编织陶瓷基复合材料细观几何参数；

步骤二：建立编织陶瓷基复合材料单胞模型；

步骤三：建立编织陶瓷基复合材料单胞有限元模型；

步骤四：施加周期性边界条件；

步骤五：经纱单元刚度矩阵转换；

步骤六：计算单胞有限元模型节点位移场；

步骤七：计算单胞有限元模型应力场和应变场；

步骤八：判断计算结果收敛情况；

步骤九：计算单胞平均应力；

步骤十：判断复合材料失效情况。