[发明专利]一种SiC纤维增强钛基复合材料本构模型建立及数值计算方法

说明书

本发明公开了一种SiC纤维增强钛基复合材料本构模型建立及数值计算方法；本发明的模型既能获得用于SiC_f/Ti复合材料结构件力学分析的均匀化本构方程，提高复合材料结构件力学分析效率，又能获得SiC_f/Ti复合材料细观结构应力/应变场，保证复合材料力学分析精度，便于SiC_f/Ti复合材料的多尺度力学分析。此外，均匀化本构方程中，SiC_f/Ti复合材料的基体塑性和界面脱粘损伤均包含在切线模量矩阵内，不会在整体刚度方程出现附加项，形式简单易于编程实现。

技术领域

本发明属于复合材料多尺度力学性能预测技术领域，特别涉及一种SiC纤维增强钛基复合材料本构模型建立及数值计算方法，具体地讲是一种SiC纤维增强钛基复合材料的多尺度应力—应变响应预测方法。

背景技术

SiC纤维增强钛基复合材料(以下简称SiC_f/Ti)具有高比强度、高比模量和高热稳定性等优点，是航空发动机压气机转子部件的理想材料。由于SiC_f/Ti复合材料的钛(Ti)基体具有塑性变形的特性，基体和纤维之间也非完全粘结，在服役环境下容易发生基体塑性变形和界面的脱粘损伤，制约了SiC_f/Ti复合材料的应用。为了有效地对SiC_f/Ti复合材料构件进行力学分析，需要在SiC_f/Ti复合材料本构方程中同时基体塑性和界面脱粘损伤，并保证力学分析的较高效率和精度。目前，专利CN106066913B公开的复杂复合材料结构等效性能多尺度计算方法，将复合材料等效成各向异性的均匀材料，给出了复合材料的等效弹性模量，能够提高复合材料力学分析的效率。但是该方法并不能保证复合材料力学分析的精度，因为该方法并没有给出复合材料内部的细观应力场。此外，该专利所述复合材料其组分的本构方程为弹性本构方程，不能用于SiC_f/Ti复合材料的力学分析。

期刊文献“Cohesive Zone-Based Damage Evolution in Periodic MaterialsVia Finite-Volume Homogenization”基于有限体积直接平均细观力学模型(FVDAM)建立了含界面脱粘的复合材料细观力学模型，其控制方程同时包含细观变量和宏观变量，能明显地展示多尺度特性，同时获得复合材料的均匀化本构方程和细观应力场。但是该模型基于割线形式的FVDAM模型，基体塑性变形和界面脱粘在该模型中表现为FVDAM控制方程的非线性附加项，编程难度较大。期刊文献“A tangent finite-volume direct averagingmicromechanics framework for elastoplastic porous materials:Theory andvalidation”采用切线形式的FVDAM模型，将弹塑性力学本构方程引入复合材料切线模量，控制方程中不存在非线性附加项。但该模型只用于计算弹塑性多孔材料而非SiC_f/Ti复合材料，没有考虑复合材料界面脱粘损伤在切线模量的表征。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供一种SiC纤维增强钛基复合材料本构模型建立及数值计算方法，本发明基于有限体积直接平均细观力学模型(FVDAM)，考虑SiC_f/Ti复合材料钛基体的弹塑性特性和基体与纤维之间的界面脱粘，建立了SiC_f/Ti的多尺度力学分析模型。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种SiC纤维增强钛基复合材料本构模型建立及数值计算方法，包括以下步骤：

步骤1：根据SiC纤维增强钛基复合材料(SiC_f/Ti)的体积分数和界面厚度，建立SiC_f/Ti复合材料单胞模型，并赋予单胞模型内复合材料各组分的力学性能参数；