SiC纤维增强复合材料界面破坏与失效机理的研究

论文摘要

界面的破坏与失效是考察纤维增强复合材料产生增韧效应的关键力学问题。本文主要研究了SiC／Ti-Al复合材料和陶瓷基复合材料的基体裂纹沿界面的偏移、纤维桥联增韧机理。考察了界面断裂特性的纤维拔出、多纤维／基体复合材料的拉伸应力-应变特性和拉伸强度、单纤维断裂后引起的相邻纤维中的应力集中、随机纤维桥联疲劳寿命和可靠性等问题。具体研究成果如下： （1） 建立基体裂纹偏移／穿透有限元模型，并分析了相对裂纹扩展长度、材料参数、纤维体积分数对相对能量释放率的影响；给出了广泛使用的SiC／Ti-Al复合材料和陶瓷基复合材料最有利于基体裂纹偏移的弹性参数；并指出了含有纤维碳涂层时的优缺点。基于有限元结果和能量偏移准则，有效地评估了界面断裂韧性。 （2） 提出的桥联本构函数反映了桥联应力和基体裂纹展开位移之间无穷阶的非线性关系，且解释了桥联本构关系的上升和下降部分及其比率关系。通过计算桥联阻抗曲线，验证了纤维桥联中出现稳定基体裂纹增长阶段的物理特性；通过计算桥联载荷随基体裂纹长度的分布，证明桥联效应是纤维增强复合材料中主导的增韧机理；通过计算外载荷和载荷点位移的关系曲线，解释了从纤维桥联、纤维失效到纤维拔出的转换过程。 （3） 界面分离能释放率随界面分离长度的增加而减小。随分离界面摩擦应力的增加，纤维和基体剪切效应以及泊松效应抑制界面失效的能力增强，这是按剪滞理论所无法获得的结果。由纤维／基体热失配引起的热残余应力有利于抑制界面的失效。桥联本构关系（文[137，138]中）的幂指数n=0.5只适合于低摩擦应力和低界面断裂韧性的弱界面。 （4） 本文建立的有限元模型较好地模拟了复合材料拉伸破坏失效的过程，包括实时的界面分离和纤维断裂。GLS和HVDP模型在一定程度上低估了断裂纤维附近完整纤维中的应力集中。同时，由于热处理引起的热残余温度能改善复合材料的拉伸特性，进而提高复合材料最终拉伸强度。 （5） 在随机循环应力作用下，提出纤维桥联基体裂纹扩展的首次穿越扩散过程模型。证实了裂纹扩展尺寸对纤维桥联疲劳寿命和可靠性的影响。随基体裂纹扩展疲劳寿命和可靠性的分布呈现出两种不同的非线性下降特性。证明了韦布尔分布和对数正态分布对于模拟纤维桥联疲劳寿命随时间的分布具有一致性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 选题目的和意义
• 1.2 纤维增强复合材料主要力学特性、研究方法和研究现状
• 1.2.1 纤维增强复合材料主要力学特性
• 1.2.2 纤维增强复合材料力学分析方法
• 1.2.3 纤维增强复合材料细观力学研究现状
• 1.3 本文的研究
• 第2章 纤维增强复合材料基体裂纹偏移机理的有限元分析
• 2.1 界面处的裂纹特性
• 2.2 裂纹偏移准则
• 2.2.1 两相复合材料
• 2.2.2 三相复合材料
• 2.3 有限元建模
• 2.3.1 有限元基本理论
• 2.3.2 有限元模型
• 2.3.3 有限元计算相对能量释放率的步骤
• 2.3.4 有限元分析技巧
• 2.3.5 ANSYS二次开发概述
• 2.4 有限元结果和讨论
• 2.4.1 两相复合材料
• 2.4.2 三相复合材料
• 2.5 本章小结
• 附录
• 第3章 纤维增强复合材料桥联增韧机理探索
• 3.1 纤维桥联增韧分析模型
• 3.1.1 纤维强度分布
• 3.1.2 复合材料断裂韧性
• 3.1.3 裂纹桥联模型
• 3.2 数值结果和讨论
• 3.3 有限元建模
• 3.4 本章小结
• 附录
• 第4章 纤维增强复合材料摩擦桥联特性
• 4.1 纤维拔出理论模型
• 4.1.1 弹性应力方程
• 4.1.2 应力和位移边界条件
• 4.1.3 应力求解
• 4.1.4 界面分离准则
• 4.2 数值结果和讨论
• 4.3 本章小结
• 第5章 纤维增强复合材料拉伸破坏与失效过程的蒙特卡罗有限元模拟
• 5.1 有限元分析
• 5.1.1 计算模型
• 5.1.2 材料特性
• 5.1.3 界面失效准则
• 5.1.4 蒙特卡罗模拟
• 5.1.5 牛顿法与弧长法
• 5.1.6 有限元重启动分析
• 5.1.7 复合材料拉伸应力—应变曲线
• 5.2 数值结果和讨论
• 5.3 本章小结
• 附录
• 第6章 随机循环应力下纤维桥联基体裂纹扩展寿命与可靠性
• 6.1 纤维桥联疲劳裂纹扩展理论
• 6.2 随机模型
• 6.2.1 首次穿越扩散过程模型
• 6.2.2 计算飘移系数与扩散系数的参数选择
• 6.2.3 疲劳寿命分布
• 6.3 数值结果和讨论
• 6.4 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻博期间论文情况
• 致谢