含孔隙陶瓷基复合材料基体的力学性能和失效问题研究

论文摘要

陶瓷基复合材料由于其优越的性能,在航空、航天等国防领域体现出广阔的前景。复合材料在生产制备过程中不可避免含有一定量的孔隙,基体失效是陶瓷复合材料一种重要的失效模式,含孔隙陶瓷基复合材料基体的力学性能和失效问题研究具有重要的意义。采用微分法、三相球模型和格模型研究了多孔陶瓷材料的力学性能,并进行了比较分析。格模型充分考虑了气孔位置随机分布、大小及形状的影响,研究表明:位置随机分布引起材料力学性能一定程度的分散;气孔大小对材料力学性能影响不大;六面体气孔与四面体气孔模拟结果趋势相同。模拟得到了力学性能随气孔率变化的关系曲线,并与经验公式吻合。将三维格模型和统计学方法结合,对多孔陶瓷材料的失效问题进行了研究。模拟了多孔陶瓷材料失效过程的应力-应变曲线;分析了气孔的位置随机分布、大小及形状的对失效强度影响。研究表明:多孔陶瓷材料失效表现为伪塑性;气孔位置随机分布引起材料失效强度的分散性;失效强度随着气孔减小而减小,并逐渐趋缓;六面体气孔与四面体气孔模拟结果趋势相同。模拟得到了气孔率与失效强度的关系曲线,与试验值基本吻合。对原始Monte Carlo方法模拟基体随机失效问题的不足进行了分析,考虑了气孔率和界面脱粘能的影响,分别基于应变能释放率脱粘准则、最大剪应力脱粘准则和断裂力学脱粘准则对陶瓷基复合材料基体随机开裂的Monte Carlo模拟方法进行了改进。改进后的模型考虑因素更全面,其模拟结果与试验数据吻合较好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 工程研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 多孔材料力学性能研究现状
• 1.2.2 多孔材料失效问题的研究现状
• 1.2.3 陶瓷基复合材料基体失效问题的研究现状
• 1.2.3.1 国外研究进展
• 1.2.3.2 国内研究进展
• 1.3 本文研究内容
• 第二章 多孔陶瓷材料力学性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 微分法预测多孔陶瓷的力学性能
• 2.2.1 公式推导
• 2.2.1.1 多孔陶瓷满足的微分方程组
• 2.2.1.2 方程组的求解
• 2.2.2 气孔率与力学性能关系曲线
• 2.3 三相球模型预测多孔陶瓷的力学性能
• 2.3.1 公式推导
• 2.3.1.1 有效体积模量的确定
• 2.3.1.2 有效剪切模量的确定
• 2.3.2 气孔率与力学性能关系曲线
• 2.4 格模型预测多孔陶瓷材料力学性能
• 2.4.1 格模型法
• 2.4.2 宏观性能计算方法
• 2.4.3 六面体格模型模拟
• 2.4.3.1 材料力学性能参数计算
• 2.4.3.2 气孔位置随机对力学性能的影响
• 2.4.3.3 气孔率与弹性模量和泊松比关系
• 2.4.4 四面体格模型模拟
• 2.4.4.1 多孔陶瓷材料参数比例关系
• 2.4.4.2 气孔随机位置对陶瓷材料力学性能的影响
• 2.4.4.3 气孔率对陶瓷材料力学性能的影响
• 2.5 小结
• 第三章 多孔陶瓷材料失效问题研究
• 3.1 引言
• 3.2 三维格模型
• 3.2.1 格型有限元模型介绍
• 3.2.2 自适应增量加载技术
• 3.2.3 非平衡迭代
• 3.2.4 计算步骤
• 3.3 算例分析
• 3.3.1 多孔材料失效过程应力应变曲线
• 3.3.2 气孔位置随机分布对失效强度的影响
• 3.3.3 气孔大小对失效影响
• 3.3.4 气孔率与失效强度的关系
• 3.4 小结
• 第四章 基体随机开裂Monte Carlo模拟的改进
• 4.1 引言
• 4.2 Monte Carlo模拟方法的基本思想
• 4.2.1 基体失效模型
• 4.2.2 Monte Carlo 模拟方法的基本思想
• 4.2.3 Monte Carlo模拟的不足
• 4.3 基于应变能释放率界面脱粘准则的Monte Carlo模拟的改进方法
• 4.3.1 考虑界面应变能释放率的脱粘准则
• 4.3.2 考虑气孔率的影响
• 4.3.3 Monte Carlo模拟裂纹演化
• 4.3.3.1 各参数对裂纹演化过程影响
• 4.3.3.2 各参数对裂纹演化饱和结果的影响
• 4.3.3.3 各参数对裂纹演化饱和时位置分布影响
• 4.3.4 应力应变计算
• 4.3.5 应力应变曲线模拟
• 4.3.6 试验对比
• 4.3.6.1 界面脱粘能的影响
• 4.3.6.2 气孔率的影响
• 4.3.6.3 试验对比
• 4.4 基于界面最大剪应力脱粘准则的Monte Carlo模拟的改进方法
• 4.4.1 界面最大剪应力脱粘准则
• 4.4.2 模拟与实验对比
• 4.4.2.1 界面剪切强度对模拟的影响
• 4.4.2.2 模拟与试验对比
• 4.5 基于断裂力学界面脱粘准则的Monte Carlo模拟的改进方法
• 4.5.1 断裂力学界面脱粘准则
• 4.5.2 模拟与试验对比
• 4.5.2.1 界面脱粘能的影响
• 4.5.2.2 试验对比
• 4.6 Monte Carlo方法改进前后比较
• 4.6.1 应力应变曲线计算模型比较
• 4.6.2 脱粘长度计算比较
• 4.6.3 模型计算参数比较
• 4.7 试验对比
• 4.7.1 Monte Carlo改进方法与文献数据对比
• 4.7.2 Monte Carlo模拟与C/SiC拉伸试验数据对比
• 4.8 小结
• 第五章 全文总结与展望
• 5.1 本文的主要工作与结论
• 5.2 今后的研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间研究成果与发表的论文