[发明专利]考虑损伤演化的单向陶瓷基复合材料热膨胀系数预测方法

说明书

本发明提供了一种考虑损伤演化的单向陶瓷基复合材料热膨胀系数预测方法，在陶瓷基复合材料受热产生变形过程中，组分中会产生热应力从而产生损伤，损伤的演化会进一步改变组分的应力分布，从而改变材料的宏观变形，从而影响热膨胀系数。本发明考虑了基体开裂和界面滑移等损伤，计算了温度变化导致的界面正反向滑移长度，在计算材料宏观变形时考虑了这些损伤演化对组分应力分布的影响，最终计算得到材料的宏观热应变和热膨胀系数，可以大大提高预测结果的精度。

技术领域

本发明属于复合材料力学性能预测领域，具体涉及一种考虑损伤演化的单向陶瓷基复合材料热膨胀系数预测方法。

背景技术

陶瓷基复合材料由于具有高耐温性和低密度的优点，是航空航天飞行器热端部件的理想材料。作为热端部件，陶瓷基复合材料结构工作时温度变化范围较大，从而引起热变形。因此进行陶瓷基复合材料结构设计要求设计人员能准确预测材料的热膨胀系数。目前单向陶瓷基复合材料热膨胀系数的预测往往采用线弹性方法，这种方法的一般流程为：1)通过试验或理论计算获取组分相的热膨胀系数和弹性模量等性能参数；2)建立能反映细观结构特征的RVE模型；3)将组分相性能参数代入到RVE模型中，通过均匀化计算得到单向陶瓷基复合材料的热膨胀系数。如文献[申诗典.基于XCT技术的陶瓷基复合材料热膨胀系数预测.南京：南京航空航天大学，2017.]和[Michaux A，Sauder C，Camus G，et al.Young′smodulus，thermal expansion coefficient and fracture behavior of selected Si-B-C based carbides in the 20-1200℃ temperature range as derived from thebehavior of carbon fiber reinforced microcomposites[J].Journal ofthe EuropeanCeramic Society，2007，27(12)：3551-3560.]。这种预测方法并未考虑陶瓷基复合材料热膨胀过程中的损伤演化，认为复合材料的热膨胀系数仅取决于组分的热膨胀系数和弹性参数。事实上，在陶瓷基复合材料受热变形过程中，组分中会产生热应力从而产生损伤，损伤的演化会进一步改变材料的宏观变形，从而影响热膨胀系数，因此仅采用现有的线弹性方法是无法准确预测单向陶瓷基复合材料热膨胀系数的。

当前如何准确预测单向陶瓷基复合材料的热膨胀系数，是本领域重要而难以解决的技术问题。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种考虑损伤演化的单向陶瓷基复合材料热膨胀系数预测方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

考虑损伤演化的单向陶瓷基复合材料热膨胀系数预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：分别计算室温T₁下的纤维热应力和基体热应力；

步骤2：由室温T₁下的基体热应力计算室温下的基体裂纹间距；

步骤3：由室温T₁下的纤维热应力计算室温下的界面正向滑移长度；

步骤4：计算温度升高至T₂后的纤维热应力；

步骤5：由室温T₁下的界面正向滑移长度和温度T₂下的纤维热应力，计算温度升高至T₂导致的界面反向滑移长度；

步骤6：根据室温T₁下的纤维热应力和界面正向滑移长度、温度T₂下的纤维热应力和界面反向滑移长度，计算温度由T₁升至T₂的单向陶瓷基复合材料热应变；