[发明专利]一种陶瓷基复合材料结构氧化损伤及强度分析方法、装置

说明书

本发明公开了一种陶瓷基复合材料结构氧化损伤及强度分析方法，包括：将气体扩散控制的氧化过程用气体在多孔介质中的扩散来描述，通过扩散系数计算陶瓷基复合材料结构中的气体分布反映出结构氧化损伤程度的变化；在此基础上，以编织代表性体积单元为研究对象，根据纤维束氧化形貌及力学模型，分析纤维束的应力分布，计算出纤维束的剩余强度，采用均匀化方法最终计算出陶瓷基复合材料结构的强度。本发明能够反映局部氧化形貌变化对结构强度的影响，解决材料级研究无法准确分析结构级氧化的问题，为CMCs结构的寿命设计及其在航空发动机上的可靠使用提供理论依据。

技术领域

本发明涉及复合材料结构强度分析技术领域，具体而言涉及一种陶瓷基复合材料结构氧化损伤及强度分析方法和装置。

背景技术

陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites，简称：CMCs)具有耐高温、耐腐蚀、高比刚度、比强度等特点，广泛应用于尾喷管调节片、涡轮叶片等航空发动机热端部件。这些部件主要服役于热力氧耦合环境，由于制备工艺限制，材料存在初始裂纹、孔隙，为气体进入结构内部提供了通道，因此不可避免会产生应力-氧化耦合损伤，影响CMCs结构的强度。

国外对CMCs热结构件进行了全面研究，开展了热力氧耦合等复合环境下的试验，但未见公开氧化损伤及其后的强度分析。国内开展CMCs研究起步较晚，目前的研究工作多为材料级别的氧化理论分析及模拟计算，未有编织CMCs结构相关的资料公开。如专利号为CN105631148A的发明专利《应力氧化环境下单向陶瓷基复合材料力学性能分析方法》公开了存在基体开裂的单向陶瓷基复合材料在应力氧化环境下剩余强度的理论预测方法；专利号为CN109992850A的发明专利《一种陶瓷基复合材料应力氧化环境剩余拉伸强度预测方法》公开了考虑SiC基体氧化的单向陶瓷基复合材料的剩余拉伸强度预测方法；王振剑(王振剑.氧化环境下陶瓷基复合材料力学性能研究[D].南京航空航天大学,2010.)采用质量损失率模型表征氧化情况，采用细观力学方法对400～900℃氧化环境下剩余刚度和剩余强度进行预测。

然而，上述研究均针对CMCs材料级别的氧化损伤及力学性，不涉及编织CMCs结构级别的氧化问题。但实践证明，对于编织CMCs结构，局部区域的氧化损伤将导致内部氧化通道发生改变，使得结构内部气体分布重新分配，影响整体结构的的氧化情况，所以直接通过材料级别的氧化行为分析很难考虑到这些因素进而准确反映结构级别的氧化损伤并进行强度计算。

因此，有必要提供一种适用于编织CMCs结构的新的陶瓷基复合材料结构氧化损伤及强度分析方法。

发明内容

本发明目的在于提供一种陶瓷基复合材料结构氧化损伤及强度分析方法和装置，充分考虑编织结构的氧化形貌及氧化对气体重新分布的影响，适用于CMCs结构级别的氧化分析。本发明能够反映局部氧化形貌变化对结构强度的影响，解决材料级研究无法准确分析结构级氧化的问题，为CMCs结构的寿命设计及其在航空发动机上的可靠使用提供理论依据。

为达成上述目的，结合图1，本发明提出一种陶瓷基复合材料结构氧化损伤及强度分析方法，所述分析方法包括：

将气体扩散控制的氧化过程用气体在多孔介质中的扩散来描述，通过扩散系数计算陶瓷基复合材料结构中的气体分布反映出结构氧化损伤程度的变化；

在此基础上，以编织代表性体积单元为研究对象，根据纤维束氧化形貌及力学模型，分析纤维束的应力分布，计算出纤维束的剩余强度，采用均匀化方法最终计算出陶瓷基复合材料结构的强度。

作为其中的一种优选例，所述分析方法包括：

S1，测试编织陶瓷基复合材料结构试件在高温应力氧化环境下的氧化损伤程度，建立氧化、损伤相关的等效扩散系数场模型；

S2，根据编织陶瓷基复合材料结构的几何外形及氧化气氛条件，计算出该结构的等效扩散系数场，根据Fick第二定律，计算出结构内部的瞬时氧气浓度分布情况；