[发明专利]一种陶瓷基复合材料结构的氧化寿命预测方法

说明书

本发明涉及一种陶瓷基复合材料结构的氧化寿命预测方法，包括以下步骤：根据工况条件，建立CMCs结构件的宏观模型并通过有限元计算CMCs结构件中的温度与应力分布；基于均匀化方法计算CMCs结构件中各单元内部的氧气浓度分布；基于氧化动力学模型计算CMCs结构件中各单元内部的细观氧化形貌参数；计算CMCs结构件各单元的细观力学性能参数；计算各编织单胞的力学参数；所述力学参数包括单元剩余强度；确定宏观结构氧化后的应力分布；预测结构件的氧化寿命。本发明从结构件内部各区域在复杂环境下发生不同程度氧化的角度模拟了其氧化损伤、单元失效的演变过程，实现了不同工况条件下的CMCs结构级别的氧化寿命预测。

技术领域

本发明属于陶瓷基复合材料领域，具体涉及一种陶瓷基复合材料结构的氧化寿命预测方法。

背景技术

陶瓷基复合材料(CMCs)因在高温下具有优异的力学性能而在高性能航空发动机热端部件领域有广泛的应用前景。热端部件的服役环境中存在大量氧化性气体，高温下CMCs结构会与氧气发生氧化反应而失效。预测发动机CMCs结构件的氧化寿命是CMCs结构设计需要解决的重要问题之一。

为将陶瓷基复合材料可靠地应用于工程实际，国内外许多学者针对陶瓷基复合材料的寿命预测展开了研究。目前，现有的方法多为疲劳寿命预测，如：复杂编织结构陶瓷基复合材料疲劳寿命预测方法(CN105760605A)公开了一种复杂编织结构陶瓷基复合材料疲劳寿命曲线的预测方法，一种陶瓷基复合材料结构疲劳寿命预测方法(CN111507038A)公开了一种高温与变载荷环境下陶瓷基复合材料结构件的疲劳寿命预测方法，而对考虑“热-力-氧”耦合环境下陶瓷基复合材料结构级的氧化寿命预测研究未见公开。

目前方法主要基于细观模型研究CMCs材料级、结构级的疲劳寿命，但CMCs结构件在航空发动机中面临着复杂的服役环境，包括高温、应力、氧化等因素。已有的文献表明CMCs的氧化损伤是影响其强度与寿命的重要因素之一。为此，有必要提供一种陶瓷基复合材料结构的氧化寿命预测方法，以反映氧化损伤分布对结构件强度的影响问题，实现CMCs结构件的氧化寿命预测。

发明内容

本发明针对本技术领域存在的空白及现有技术的不足，提供一种陶瓷基复合材料结构的氧化寿命预测方法，旨在解决“高温-应力-氧化”耦合环境下陶瓷基复合材料结构的氧化寿命预测问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种陶瓷基复合材料结构的氧化寿命预测方法，包括以下步骤：

步骤1：根据工况条件，建立CMCs结构件的宏观模型并通过有限元计算CMCs结构件中的温度与应力分布；

步骤2：根据步骤1中的温度与应力分布，基于均匀化方法计算CMCs结构件中各单元内部的氧气浓度分布；

步骤3：根据步骤2中氧气浓度分布的计算结果，基于氧化动力学模型计算CMCs结构件中各单元内部的细观氧化形貌参数；

步骤4：根据步骤3中获取的细观氧化形貌参数，计算CMCs结构件各单元的细观力学性能参数；

步骤5：根据步骤4中获取的细观力学性能参数，计算各编织单胞的力学性能参数；所述力学性能参数包括单元剩余强度；

步骤6：确定宏观结构氧化后的应力分布，将步骤5中获取的编织单胞的力学性能参数作为宏观模型中各单元氧化后的材料参数进行重新定义，对“热-力-氧”耦合环境下CMCs结构件的宏观模型再次进行有限元计算以获取氧化后结构中的应力分布及单元应力；

步骤7：预测结构件的氧化寿命，将步骤6中获取的单元应力与步骤5中获取的单元剩余强度进行比较，若单元应力大于单元剩余强度则认为此单元失效，若失效单元累积形成贯穿的失效单元组则认为结构失效，否则增加氧化时间继续调节结构件中的“扩散-氧化”过程，重复上述步骤直至结构失效，此时的氧化时间为该CMCs结构在此工况下的自然氧化寿命。