编织陶瓷基复合材料疲劳迟滞行为的多尺度模拟

Due to the low weight density and advanced mechanical performance of fiber reinforced ceramic matrix composite (CMCs) at elevated temperature, CMCs has shown a great potential for application of aero-engine. However, aero-engine is one kind of reused machine with high speed rotors, of which subjected to serious cycle loading. Thus, how to design the CMCs hot sections to avoid fatigue failure during serving period of aero-engine is the key issue of applying CMCs to aero-engine. The shear-lag shape stress-strain relation is one of the most typical behaviors of CMCs fatigue, which reflects the evolutions of matrix cracking, interface debonding and fiber fracture. Thus, accurate modeling of shear-lag behavior of CMCs is the key technology for fatigue resistant design of CMCs..At present, mechanical modeling about the fatigue shear-lag behavior of woven CMCs is limited. In this project, the experimental testing, theoretical analysis and numerical modeling will be combined to study the multi fatigue failure modes caused by complicated micro-structure of woven CMCs. The mechanical model of yarn for fatigue will be established, the evolution laws of matrix cracks and the friction behaviors between yarns or yarn and matrix will be revealed. Based on the representative volume element method and homogenization methods, the mechanical models of fatigue shear-lag behaviors for woven CMCs and the numerical methods for solving these models will also be developed for fatigue resistant design of CMCs.

纤维增强陶瓷基复合材料（简称CMCs）具有低密度和高耐温性，在航空发动机热端部件的应用上已经显示出巨大的发展潜力。而航空发动机是可重复使用的高速旋转机械，承受着苛刻的疲劳载荷，有效的疲劳寿命设计是其成功应用到航空发动机上的关键。应力-应变曲线迟滞现象是CMCs疲劳最典型的特征，它综合反应基体开裂、界面脱粘和纤维断裂等基本细观失效模式及其演化，对疲劳迟滞行为的准确模拟是疲劳寿命设计的基础。.目前，编织CMCs疲劳迟滞行为的力学建模研究十分有限。本项目针对编织CMCs细观结构复杂、影响疲劳迟滞行为因素多样的特点，采用试验、理论分析和数值计算相结合的方法，建立纱线的疲劳迟滞行为的力学模型，揭示编织CMCs中基体裂纹演化规律和纱线/纱线、纱线/基体界面的滑移规律；基于代表体元法和均匀化理论，建立编织CMCs疲劳迟滞行为的力学模型和数值模拟方法，为编织CMCs结构疲劳寿命设计提供理论与方法支撑。

连续纤维增强陶瓷基复合材料（Ceramic matrix composites，简称：CMCs）具有密度低和高温力学性能强等诸多优势，在航空发动机热端部件的应用上已经显示出巨大的发展潜力。.项目组分别开展了单向CMCs正轴和偏轴拉伸基体裂纹在线观察试验，提出了一种基体单元强度模型，模拟了基体裂纹扩展过程；开展了纤维单丝拉伸试验，提出了一种纤维强度分布模型；提出了一种纤维/基体界面摩擦模型，模拟了基体开裂后的界面脱粘过程；基于界面摩擦模型，提出了一种根据单向CMCs拉伸应力-应变响应计算界面剪应力的方法。项目组针对单向CMCs界面滑移，提出了一种任意加卸载历程下的界面滑移区分布模型，计算得到了任意加卸载历程下的带基体纤维束迟滞响应。.项目组设计了专门用于纤维束CMCs疲劳试验的成套工装夹具，实现了纤维束CMCs的疲劳试验，获得了纤维束CMCs的疲劳迟滞回线。实验结果表明，材料存在明显的疲劳极限，材料在较低循环数下具有非常明显的疲劳迟滞现象，随循环数的增加其疲劳迟滞现象逐步弱化。项目组建立了考虑基体开裂、界面脱粘、界面滑移、界面磨损、纤维强度退化和纤维失效的纱线疲劳迟滞行为力学模型，计算了不同循环下纱线迟滞回线。.项目组自行设计了专用的测试设备，直接测试获得了纱线/纱线间基体界面的脱粘强度，建立了其界面脱粘模型。通过测试单向 CMCs 板磨损之后摩擦系数的变化规律，建立了其界面摩擦系数变化的数学模型及界面滑移模型。.项目组通过对平纹编织CMCs的细观结构进行显微观察，建立了反映真实结构的代表体元细观几何模型。通过在纱线/纱线之间设置界面单元，建立了考虑纱线/纱线间界面关系的代表体元有限元模型。项目组分别采用了纱线疲劳迟滞模型和纱线/纱线之间的脱粘模型、滑移模型，表征了纱线单元和纱线/纱线之间界面单元的力学特性。最终，通过非线性求解计算，实现了编织CMCs疲劳迟滞行为的多尺度计算。