一种重复使用环境下陶瓷基复合材料强度评价方法

技术领域

本发明涉及一种重复使用环境下陶瓷基复合材料强度评价方法，属于复合材料力学领域。

背景技术

陶瓷基复合材料广泛被应用于防热承载一体化结构设计，该类结构力学性能、热物理性能良好，能够在气动压力、热应力、振动、噪声、冲击环境下保证结构气动外形和保证结构不发生失效，起到防热和承载的双重作用。近年来，持续发生的高超声速飞行器飞行试验失败很大一部分原因是防热承载一体化结构强度问题，而陶瓷基复合材料作为研制防热承载一体化结构的关键材料，其强度评价方法的重要性不言而喻。在重复使用条件下，力热氧耦合环境下的陶瓷基复合材料的强度退化等具体问题已经在工程中出现，如何评价其重复使用环境下的强度是高超声速飞行器发展的重要研究内容。

采用陶瓷基复合材料制备的防热承载一体化结构实现高温服役已具备了较多的基础成果，但一般采用了相对恒定的高温试验条件。虽然在航空发动机热端部件为背景的研究中给出了陶瓷基复合材料在热循环条件下的疲劳承载性能，但考虑的还是发动机在700℃～1200℃工作范围内快速循环变化情况，这与空天往返飞行器在可重复使用性能评价时需要模拟的服役条件，即在有氧环境下常温→高温→降至常温的循环变化历程具有很大差异，材料性能也不相同。国外公开研究资料中尚未有模拟这种重复使用的试验考核报道，给出的仍是满足单次使用要求的力-热耦合结构试验情况。

陶瓷基复合材料在力/热/氧耦合环境下单次使用要求的力学性能已有不少研究。Li等人对针刺C/C复合材料在有氧环境下室温到950℃温度范围内的压缩性能和失效机理展开实验观测，发现针刺C/C复合材料在压缩载荷下的失效模式基本以剪切破坏为主，当温度超过600℃时，材料由于受到氧化而存在明显的非线性失效特征。NASA Glenn研究中心在UEET(Ultra Efficient EngineTechnology)、NGLTQNext Generation LaunchTechnology)等计划的支持下，开展了以CVI工艺和MI工艺为主的SiC/SiC复合材料高温性能研究，获取了材料在不同温度、环境、时间因素下的材料性能。厦门大学Li等研究了含SiC涂层的C/SiC复合材料在湿氧环境下，不同温度退火后的微观结构演变。表征结果发现，高温退火(1000℃)会反应生成熔融态的氧化硅，弥合复合材料表面和内部的微裂纹，阻碍氧气分子沿几何缺陷的向内快速扩散，但再升温之后(1200℃)会导致Si(OH)4挥发产生新的缺陷，导致剩余强度下降。

对陶瓷基复合材料在重复使用的力/热/氧耦合环境下的力学行为研究则相对较少。美国空军在IHPTET(High Performance Turbine Engine,Technology)项目的支持下，对2D编织的SiC/SiC空气与蒸汽复合材料在1200-1300℃空气与蒸汽环境下的疲劳性能进行了深入的研究，获得了不同工艺制备SiC/SiC复合材料的疲劳极限强度等关键数据，并对SiC/SiC复合材料疲劳的损伤机理进行了讨论。西北工业大学采用CVI工艺制备了3D编织Hi-Nicalon SiC/SiC复合材料，并对其在1300℃水氧环境中疲劳氧化的损伤演变进行了研究。张立同课题组研究了C/SiC复合材料在应变约束及氧化气氛下的热循环破坏机理，同时表征了基体中的横向裂纹，纤维的桥接、脱粘和断裂以及纤维束在热循环后的氧化路径。吕琦慧针对一体化材料的内外两层结构即陶瓷隔热瓦和抗烧蚀材料分别开展重复性热载试验，探究材料的隔热性能变化情况，重点分析在不同热载次数作用下内外两单层结构材料的宏/微观结构演化规律，揭示演化机理，确定隔热性能评估变量并构建寿命预测模型，实现对一体化热防护材料的防隔热重复使用性能的寿命预测。

综上，目前的在单次使用要求下的陶瓷基复合材料力学性能研究已有不错进展，而重复使用环境下陶瓷基复合材料的强度预测评价仍鲜有报道，相关研究更多在于重复使用环境下陶瓷基复合材料的破坏机理或疲劳寿命研究。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种重复使用环境下陶瓷基复合材料强度评价方法，解决了目前现有技术中，缺少预测重复使用环境下陶瓷基复合材料强度变化方法的问题。

本发明的技术解决方案是：

一种重复使用环境下陶瓷基复合材料强度评价方法，包括：

(1)根据纤维、基体的微观表征建立分子动力学模型，进行载荷模拟得到纤维、基体的载荷应力应变曲线，提取本构关系及力学性能；

(2)根据纤维束的微观表征建立纤维束代表性体积单元有限元模型，将步骤(1)提取到的力学性能对有限元模型进行材料力学性能参数设置，并将步骤(1)提取到的本构关系编入UMAT子程序以实现材料本构关系的自定义，进行载荷模拟得到纤维束的载荷应力应变曲线，提取纤维束的本构关系及力学性能；

(3)根据陶瓷基复合材料的微观表征建立陶瓷基复合材料代表性体积单元有限元模型，将步骤(2)提取到的力学性能对有限元模型进行材料力学性能参数设置，并将步骤(2)提取到的本构关系编入UMAT子程序以实现材料本构关系的自定义，进行载荷模拟得到陶瓷基复合材料的载荷应力应变曲线，提取陶瓷基复合材料的本构关系及力学性能；

(4)对陶瓷基复合材料进行载荷模拟次数不同的微观破坏表征，并与步骤(3)中的有限元模型的破坏形式进行对比，对步骤(3)中的不同载荷模拟次数的本构关系进行修正，直到有限元模型破坏模拟结果损伤形式与微观破坏表征的表征结果一致为止；

(5)使用步骤(3)建立的有限元模型，并定义步骤(4)得到的本构关系，进行载荷模拟得到的陶瓷基复合材料的载荷应力应变曲线，提取陶瓷基复合材料的力学性能；

(6)设置不同的载荷次数，重复步骤(5)，得到施加不同载荷次数后的有限元模型；

(7)对步骤(6)中的有限元模型进行载荷模拟得到各模型的剩余强度，对数据进行处理，建立数学模型。

所述步骤(1)中，微观表征应得到纤维及基体的组分。

所述步骤(2)中，纤维束由所述步骤(1)中的纤维及基体构成，微观表征应得到纤维占纤维束的比例，即体积分数。

所述步骤(2)中，UMAT子程序中本构关系所选取的破坏准则为最大应变准则：当名义应变与其最大名义应变的比值达到1时，即失效系数f为1时损伤开始；

失效应变ε

式中，S为材料强度，E为材料弹性模量，如需计算拉伸强度则设置S为拉伸强度，E为拉伸方向的弹性模量；ε

所述纤维束代表性体积单元有限元模型破坏后，刚度折减，刚度矩阵变化如式：

式中，C

a为常数，该数的设置与材料刚度退化速度相关，依步骤(1)中的应力应变曲线而定。

所述步骤(3)中，陶瓷基复合材料由所述步骤(2)中的纤维束及步骤(1)中的基体构成，微观表征应得到纤维束的排列方式及纤维束的横截面图像。

所述步骤(3)中，UMAT子程序中本构关系所选取的破坏准则为Tsai-Wu准则，当失效系数F

F

其中，σ1为应力，由步骤(3)中的载荷模拟获得；

式中，各项系数计算如下：

/>

式中，X

所述步骤(3)中的陶瓷基复合材料代表性体积单元有限元模型破坏后，刚度折减，刚度矩阵变化如式：

式中D

所述步骤(4)中，本构关系的修正部分主要在于不同破坏模式对应的损伤参量。

所述步骤(6)中，不同载荷次数的设置依步骤(5)中有限元模型彻底破坏时的最大载荷次数而定。

综上所述，本申请至少包括以下有益技术效果：

(1)本发明提供的一种重复使用环境下陶瓷基复合材料强度评价方法，通过分子动力学模拟、有限元模拟获得陶瓷基复合材料的本构关系及力学性能，结合表征研究重复使用环境下陶瓷基复合材料的损伤机理，并对破坏准则修正以更好的描述陶瓷基复合材料的损伤演变，在预测不同陶瓷材料构成的陶瓷基复合材料力学性能的同时，定量的描述陶瓷基复合材料在重复使用环境下的性能下降。

(2)本发明从微观到细观，再有细观到宏观的多尺度分析详细描述陶瓷基复合材料不同尺度的损伤机理，考虑了不同损伤模式下陶瓷基复合材料的损伤演变趋势，基于此预测出了陶瓷基复合材料在各种重复使用环境下(力/热/氧)的强度变化，且适用于各种陶瓷基复合材料的强度评价，具有普适性。

附图说明

图1为本发明方法的流程框图；

图2为本发明方法提取的应力应变图；

图3为本发明方法提取的剩余强度曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细的描述：

本申请实施例公开一种重复使用环境下陶瓷基复合材料强度评价方法，如图1所示，步骤如下：

(1)根据纤维、基体的微观表征获得纤维、基体的组分，根据相关组分选取何时的势能函数描述原子间的相互作用，设置热力学体系，建立纤维及基体的分子模型，根据需求设定相应载荷、氧化环境、温度环境，进行分子动力学模拟，获得应力应变曲线，如图二，根据应力应变曲线的弹性阶段斜率及曲线顶点分别提取弹性模量及强度，拟合整个应力应变曲线，得到材料本构关系；

(2)根据纤维束的微观表征获得纤维所占纤维束的比例，即体积分数，根据体积分数建立纤维束的代表性体积单元，并通过在代表性体积单元平行相对面上相应网格节点处建立线性约束方程来周期性边界条件。代表性体积单元长为Wx，宽为Wy，高为h，坐标原点位于点D，在6种典型应变载荷

在垂直于x轴的相对面上

在垂直于y轴的相对面上

在垂直于z轴的相对面上

式中：x＝Wx，y＝Wy，z＝h的3个平面称为主平面，与主平面平行相对的平面为从平面。

将模型材料力学性能参数设置为步骤(1)中提取到的弹性模量及强度，根据需求设置相应环境及载荷，将步骤(1)提取到的本构关系(如弹性阶段、屈服阶段走势)编入UMAT子程序，同时修改UMAT相关参数(如描述损伤变量的相关参数)，调用UMAT子程序，使用最大应变准则作为破坏准则描述单元发生破坏的判断依据，进行载荷模拟得到纤维束的载荷应力应变曲线，同步骤(1)一般提取纤维束的本构关系及力学性能；

最大应变准则：当名义应变与其最大名义应变的比值达到1时，即失效系数f为1时损伤开始。失效应变ε

式中，S为材料强度，E为材料弹性模量，如需计算拉伸强度则设置S为拉伸强度，E为拉伸方向的弹性模量；ε

破坏后，刚度折减，刚度矩阵变化如式：

式中d为损伤变量，计算公式如下：

d＝1-e

式中，α为常数，该数的设置与材料刚度退化速度相关，依步骤(1)中的应力应变曲线而定。

(3))根据陶瓷基复合材料的微观表征获得纤维束的排列方式，如编织方式(五枚缎编织/平稳编织，2D编织方式/3D编织方式)，及纤维束的横截面图像，依照表征结果建立陶瓷基复合材料代表性体积单元有限元模型，将模型中纤维束部分材料力学性能参数设置为步骤(2)中提取到的弹性模量及强度，模型中基体部分材料力学性能参数设置为步骤(1)中提取到的基体弹性模量及强度，同步骤(2)设置周期性边界条件，将步骤(2)提取到的本构关系(如弹性阶段、屈服阶段走势)编入UMAT子程序，根据需求设置相应环境及载荷，调用UMAT子程序，使用Tsai-Wu准则作为破坏准则描述单元发生破坏的判断依据，进行载荷模拟得到陶瓷基复合材料的载荷应力应变曲线，如图2所示，同步骤(1)一般提取陶瓷基复合材料的本构关系及力学性能；

Tsai-Wu准则，当失效系数F

F

式中，各项系数计算如下：

/>

式中，X

破坏后，刚度折减，刚度矩阵变化如式：

式中D

(4)针对典型的破坏模式，对陶瓷基复合材料进行微观破坏表征，比如纤维拔出、纤维断裂、氧化破坏等，对应破坏模式设置不同的损伤参量，得到重复使用环境中的单次载荷会造成的破坏。调取步骤(3)中的有限元模型的载荷施加后破坏的过程，对比微观破坏表征的破坏过程，对步骤(3)中的本构关系进行修正，修正损伤参量直到有限元破坏模拟结果损伤模式及后续裂纹扩展方式与微观破坏表征的表征结果一致为止；

(5)继续使用步骤(3)建立的有限元模型，并使用步骤(4)中修正过后的本构关系，调用修正后的UMAT子程序，将载荷幅值依照载荷谱进行修改，以模拟真实的重复载荷环境，将载荷施加进行重复载荷模拟，调用陶瓷基复合材料在重复载荷下的应力应变曲线，同步骤(1)一般提取陶瓷基复合材料在重复载荷下的力学性能(强度)；

(6)根据步骤(5)得到的应力应变曲线及力学性能，分析陶瓷基复合材料的疲劳性能，得到重复载荷环境模拟下陶瓷基复合材料的寿命(载荷循环次数)，将陶瓷基复合材料的寿命进行归一化，并按照一定比例设置不同的载荷循环次数，不同载荷次数的设置依步骤(5)中有限元模型彻底破坏时的最大载荷次数而定，按照设置的载荷次数重复步骤(5)，分别得到施加不同载荷次数后的有限元模型；

(7)对步骤(6)中的数个有限元模型，施加步骤(5)中的重复载荷模拟得到各模型的剩余强度(归一化处理)，如图3，对数据进行处理，将其拟合为破坏载荷中剩余强度数学模型。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。