陶瓷基复合材料涡轮叶片损伤模拟与服役安全寿命预测

对陶瓷基复合材料(CMCs)涡轮叶片服役安全寿命预测方法展开研究,为充分考虑CMCs细观结构的非均质性和力学性能的各向异性,发展一种多尺度力学分析方法。首先,从纤维/基体的组分尺度出发,通过细观力学方法获取纤维束尺度的力学特性;然后,采用细观有限元方法,通过对代表体元的分析获取材料编织结构尺度的力学性能;最后,通过宏观有限元分析,获取CMCs涡轮叶片结构尺度的力学响应。根据宏观应力-应变场分析叶片的危险区域,提取应力状态作为代表体元边界条件,分析细观应力-应变场。在此基础上引入基于细观力学的疲劳失效判据,进行叶片寿命预测。相关方法和结果可以为CMCs在涡轮发动机高温部件中的安全服役提供参考。

多层界面相对陶瓷基复合材料横向开裂的影响模拟

针对多层界面相对陶瓷基复合材料(CMCs)横向开裂行为的影响进行了细观有限元模拟。在代表体单元模型中,按照界面相各亚层的实际厚度建立多层界面相几何模型,然后赋予各亚层对应的组分材料参数,建立细观有限元模型。在此基础上,分别采用扩展有限单元法(XFEM)和内聚力界面模型来模拟CMCs中的开裂裂纹和脱粘裂纹,实现复合材料横向开裂过程的模拟。对单层BN界面相和(BN/SiC/BN)、(BN/SiC/BN/SiC/BN)两种多层界面相的模拟结果进行了对比。可以看出,所研究的SiC/SiC复合材料在横向载荷作用下,首先在纤维与界面相之间产生脱粘裂纹,脱粘裂纹扩展后引起外侧基体开裂,最终引起复合材料横向失效;与单层界面相相比,多层界面相将引起不同形态的脱粘裂纹,其横向开裂应变高于单层界面相,开裂位置也存在显著差异。

陶瓷基复合材料疲劳损伤模拟与界面优化设计

本文从界面损伤模拟出发研究了陶瓷基复合材料(CMCs)的抗疲劳设计方法。以CMCs微观结构演变为切入点,在微观尺度建立复合材料各组分损伤机制的物理模型,然后集成到细观尺度的有限元分析之中,从而建立CMCs疲劳损伤的数值模拟方法,并对界面相组成、结构等因素影响疲劳性能的作用机制进行探究,以实现界面的抗疲劳设计。通过多尺度和多维度对CMCs疲劳损伤机理进行数值模拟,建立了可计及界面微观结构影响的疲劳性能理论表征模型。结果表明,SiC_(f)/SiC_(m)复合材料中,界面偏转裂纹的疲劳扩展速率是随着裂纹长度的增大而下降的,且不同位置偏转裂纹的具体扩展规律存在较大差异;界面相厚度和成分均对偏转裂纹的疲劳扩展速率存在显著影响,裂纹扩展速率随界面相厚度增大而减小,随界面相成分的模量增大而减小。