[发明专利]量化陶瓷基复合材料各向异性热机械损伤的方法

说明书

本发明涉及陶瓷基复合材料在具高应力梯度的热机械载荷下结构损伤的评估，公开了量化陶瓷基复合材料各向异性热机械损伤的方法，其包括：S1：定义CMCs各向异性热机械损伤的量化条件；S2：通过一组损伤变量表征材料不同主方向上的损伤；S3：定义含热机械损伤材料的弹性应变能ρΦ的函数，推导出材料的弹性应变能密度释放率与相应状态下的热机械损伤变量之间的关系；S4：推导出CMCs在单次热机械载荷下的热机械损伤参量的增量表达式及全量表达式；S5：推导出CMCs在具高应力梯度的热机械载荷下累积损伤表达式及能量耗散表达式。本发明为CMCs的热机械疲劳寿命预测和损伤判据建立提供依据。

技术领域

本发明涉及陶瓷基复合材料结构损伤评估技术领域，尤其涉及CMCs在具高应力梯度的热机械载荷下量化陶瓷基复合材料各向异性热机械损伤的方法。

背景技术

陶瓷基复合材料(Ceramic-Matrix Composites,CMCs)是一种轻质结构材料，其能在高温、氧化、疲劳、蠕变等状况下保持良好的性能而备受关注，因此，返回式超高音速飞行器的热防护系统、涡轮发动机的火焰筒、涡轮导向叶片、涡轮外环、隔热屏和火焰稳定器等关键热端部件都可利用CMCs，这些应用对航空航天工程非常重要。

CMCs承热构件所服役的燃烧环境相当恶劣，尤其在涡轮发动机中，除经受热机疲劳载荷外，还要承受高速燃气产生的气动冲击载荷，尤其在涡轮发动机气动、紧急停车以及急加/减速等瞬态机动时，结构材料不可避免地经受热冲击，这种温度急剧变化，会导致材料内部产生严重热应力，进而导致材料产生损伤、裂纹，甚至失效。CMCs在上述服役环境下承载的载荷可视为具高应力梯度的热机械载荷，因此，描述量化CMCs在具高应力梯度的热机械载荷下的热机械损伤，为CMCs结构件设计、CMCs许用值确定、寿命预测和损伤判据建立提供依据，同时满足对CMCs强度理论和寿命预测的新要求，进而为提高下一代先进涡轮发动机热端部件的耐久性和完整性奠定基础。

目前对CMCs在具高应力梯度的热机械载荷下损伤的研究只是处于试验累积和数据收集阶段，并没有合适可靠的模型定量描述CMCs在具高应力梯度的热机械载荷下的热机械损伤，并构建损伤演化模型对CMCs的热机械损伤进行预测。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种量化陶瓷基复合材料各向异性热机械损伤的方法，其可以更为准确地描述CMCs在具高应力梯度的热机械载荷下的热机械损伤演化行为，为CMCs的热机械疲劳寿命预测和损伤判据建立提供依据。

量化陶瓷基复合材料各向异性热机械损伤的方法，包括以下步骤：

包括以下步骤：

S1：定义CMCs各向异性热机械损伤的量化条件；

S2：基于S1的量化条件通过一组损伤变量表征材料不同主方向上的损伤；

S3：定义含热机械损伤材料的弹性应变能ρΦ的函数，推导出材料的弹性应变能密度释放率与相应状态下的热机械损伤变量之间的关系；

S4：推导出CMCs在单次热机械载荷下的热机械损伤参量的增量表达式，以及CMCs由单次热机械载荷引起的热机械损伤参量的全量表达式；

S5：推导出CMCs在具高应力梯度的热机械载荷下累积损伤表达式以及CMCs在具高应力梯度的热机械载荷下总的能量耗散表达式。

在一些实施方式中，S1中的量化条件包括：

(Ⅰ)含热机械损伤的CMCs保持正交各向异性，即热机械损伤不会改变其各向异性程度，而在整体材料上均匀起作用；

(Ⅱ)柔度系数-ν₁₂/E₁为常数；

(Ⅲ)热机械损伤是唯一的能量耗散源。

在一些实施方式中，S3包括：