陶瓷基复合材料损伤耦合的宏细观统一本构模型研究.doc

陶瓷基复合材料损伤耦合的宏细观统一本构模型研究陶瓷基复合材料是一种多相材料,本身具有可设计性。其失效与细观结构密切相关。要确保陶瓷基复合材料在高推重比航空发动机中可靠地使用,有必要开展其宏细观结合的本构模型和失效模型的研究。我国目前在这方面的研究工作还比较薄弱,本文围绕上述问题开展了深入的研究。论文根据复合材料细观结构的特点提出了新的宏观应变的定义。该定义以材料代表性体元边界位移的积分作为等效宏观应变。证明了基于新的宏观应变定义的宏细观统一本构模型的闭合性,并在此基础上,建立了新宏细观统一本构模型的理论框架。在新的理论框架内,分别采用加权余量法和虚位移原理建立了高精度四边形子胞模型和节点插值子胞模型两种新型宏细观统一本构模型。上述模型具有如下优点:(1)实现了宏观量与细观量的统一,不仅给出了宏观弹性常数的表达式,而且能够根据宏观应变直接求出复合材料的细观应变场;(2)采用非规则子胞离散求解域,增强了模拟复杂细观结构的能力,提高了模型的计算效率;(3)能方便地与材料失效模型结合,建立损伤耦合的宏细观统一本构模型;(4)能方便地嵌入通用有限元分析软件。论文通过数值计算验证了模型的准确性和高效性。论文开展了C/SiC陶瓷基复合材料拉伸试验,获取了宏观材料性能数据。对试件的细观损伤进行了无损检测,摸清了C/SiC材料的失效模式,揭示其失效机理,建立了失效模型。将失效模型与上述宏细观统一本构模型结合,建立了损伤耦合的陶瓷基复合材料宏细观统一本构模型,并进行了试验验证。结果表明,该模型既能较好地预测C/SiC陶瓷基复合材料的宏观性能,又能有效地模拟细观损伤。