碳-碳復(fù)合材料疲勞壽命預(yù)測(cè)模型與分析方法研究.pdf

1、碳/碳(C/C)復(fù)合材料具有耐熱性能及優(yōu)異的力學(xué)性能，它既可以作為耐高溫材料使用，又可作為功能結(jié)構(gòu)材料使用。由于三維四向編織C/C復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，人們對(duì)其疲勞壽命等力學(xué)特性的研究還很有限，這已成為其進(jìn)一步推廣應(yīng)用的制約因素。因此，有必要通過(guò)對(duì)C/C復(fù)合材料的疲勞性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析其疲勞損傷模式，建立其疲勞壽命的預(yù)測(cè)模型，為其更加廣泛應(yīng)用提供理論支持。本文研究工作主要包括以下五個(gè)部分:
　　(1)碳纖維及C/C復(fù)合材料的靜

2、拉伸力學(xué)性能及疲勞特性試驗(yàn)研究。制作了單向C/C復(fù)合材料及三維四向編織C/C復(fù)合材料;測(cè)試了碳纖維束的拉伸強(qiáng)度及拉—拉疲勞特性，并對(duì)纖維單絲進(jìn)行了強(qiáng)度測(cè)試;對(duì)單向C/C復(fù)合材料縱向、橫向及面內(nèi)剪切方向的靜拉伸力學(xué)性能及拉—拉疲勞特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究;對(duì)三維四向編織C/C復(fù)合材料的縱向靜拉伸力學(xué)性能及拉—拉疲勞特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究;測(cè)試單向C/C復(fù)合材料的纖維—基體界面強(qiáng)度及三維四向編織C/C復(fù)合材料的纖維束—基體界面強(qiáng)度。試驗(yàn)研究為C/C復(fù)

3、合材料疲勞特性的理論預(yù)測(cè)提供了數(shù)據(jù)支持。
　　(2)單向C/C復(fù)合材料拉—拉疲勞壽命及剩余強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型研究?；趩蜗駽/C復(fù)合材料縱向拉伸強(qiáng)度的隨機(jī)核模型，引入纖維單絲剩余強(qiáng)度二參數(shù)Weibull模型及纖維單絲—基體界面剩余強(qiáng)度模型，建立單向C/C復(fù)合材料縱向拉—拉疲勞壽命及剩余強(qiáng)度的預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)單向C/C復(fù)合材料縱向拉—拉疲勞壽命及剩余強(qiáng)度的預(yù)測(cè)。通過(guò)單向C/C復(fù)合材料算例分析表明本文所建立的疲勞壽命預(yù)測(cè)模型及剩余強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型

4、用于預(yù)測(cè)單向C/C復(fù)合材料疲勞壽命及剩余強(qiáng)度是可行的。
　　(3)三維四向編織復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型和剛度預(yù)測(cè)模型研究。提出采用擠壓切邊橢圓面來(lái)描述相互擠壓的纖維束橫截面，建立了一種新的細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型，該模型反映纖維束之間沿纖維束軸向不斷變化的相互擠壓變形造成纖維束橫截面積沿纖維束軸向不斷變化，基于剛度體積平均及柔度體積平均混合思想，引入所建立的細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型，建立相應(yīng)的剛度預(yù)測(cè)模型。用本文模型計(jì)算編織復(fù)合材料幾何特性及工程彈性常數(shù)的數(shù)

5、值結(jié)果與試件實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合，表明了模型的合理有效性。
　　(4)三維四向編織C/C復(fù)合材料縱向拉—拉疲勞壽命預(yù)測(cè)模型研究。基于單向復(fù)合材料縱向拉—拉疲勞壽命預(yù)測(cè)模型及剩余強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型，將纖維束軸向拉應(yīng)力與剪應(yīng)力共同作用的蔡—希爾破壞準(zhǔn)則及纖維—基體界面脫粘后纖維束發(fā)生斷裂的破壞準(zhǔn)則推廣到疲勞加載情況，并作為三維四向編織復(fù)合材料疲勞損傷破壞準(zhǔn)則，同時(shí)引入基體破壞準(zhǔn)則，建立了考慮纖維單絲強(qiáng)度分散性的三維四向編織復(fù)合材料疲勞壽命預(yù)測(cè)模型。

6、通過(guò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，表明本文所建立的三維四向編織C/C復(fù)合材料疲勞壽命預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)精度較好。
　　(5)三維四向編織C/C復(fù)合材料三維逐漸損傷有限元分析的強(qiáng)度與壽命預(yù)測(cè)方法研究?；诳紤]纖維束間相互擠壓接觸的單胞模型，引入周期性位移邊界條件及單向C/C復(fù)合材料的剩余強(qiáng)度模型和剩余剛度模型;采用Hashin失效判定準(zhǔn)則判定纖維束的損傷類型，并提出相應(yīng)的損傷退化模式及材料最終失效準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維四向編織C/C復(fù)合材料在靜載荷與疲勞載荷