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碳/碳复合材料疲劳寿命预测模型与分析方法研究

作　者: 朱元林
导　师: 崔海涛
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 航空宇航推进理论与工程
关键词: 碳/碳复合材料三维四向编织碳纤维束细观结构疲劳特性预测模型试验研究
分类号: TB332
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

碳/碳（C/C）复合材料具有耐热性能及优异的力学性能，它既可以作为耐高温材料使用，又可作为功能结构材料使用。由于三维四向编织C/C复合材料内部结构复杂，人们对其疲劳寿命等力学特性的研究还很有限，这已成为其进一步推广应用的制约因素。因此，有必要通过对C/C复合材料的疲劳性能进行试验研究，分析其疲劳损伤模式，建立其疲劳寿命的预测模型，为其更加广泛应用提供理论支持。本文研究工作主要包括以下五个部分：（1）碳纤维及C/C复合材料的静拉伸力学性能及疲劳特性试验研究。制作了单向C/C复合材料及三维四向编织C/C复合材料；测试了碳纤维束的拉伸强度及拉—拉疲劳特性，并对纤维单丝进行了强度测试；对单向C/C复合材料纵向、横向及面内剪切方向的静拉伸力学性能及拉—拉疲劳特性进行了试验研究；对三维四向编织C/C复合材料的纵向静拉伸力学性能及拉—拉疲劳特性进行了试验研究；测试单向C/C复合材料的纤维—基体界面强度及三维四向编织C/C复合材料的纤维束—基体界面强度。试验研究为C/C复合材料疲劳特性的理论预测提供了数据支持。（2）单向C/C复合材料拉—拉疲劳寿命及剩余强度预测模型研究。基于单向C/C复合材料纵向拉伸强度的随机核模型，引入纤维单丝剩余强度二参数Weibull模型及纤维单丝—基体界面剩余强度模型，建立单向C/C复合材料纵向拉—拉疲劳寿命及剩余强度的预测模型，实现单向C/C复合材料纵向拉—拉疲劳寿命及剩余强度的预测。通过单向C/C复合材料算例分析表明本文所建立的疲劳寿命预测模型及剩余强度预测模型用于预测单向C/C复合材料疲劳寿命及剩余强度是可行的。（3）三维四向编织复合材料细观结构模型和刚度预测模型研究。提出采用挤压切边椭圆面来描述相互挤压的纤维束横截面，建立了一种新的细观结构模型，该模型反映纤维束之间沿纤维束轴向不断变化的相互挤压变形造成纤维束横截面积沿纤维束轴向不断变化，基于刚度体积平均及柔度体积平均混合思想，引入所建立的细观结构模型，建立相应的刚度预测模型。用本文模型计算编织复合材料几何特性及工程弹性常数的数值结果与试件实测数据吻合，表明了模型的合理有效性。（4）三维四向编织C/C复合材料纵向拉—拉疲劳寿命预测模型研究。基于单向复合材料纵向拉—拉疲劳寿命预测模型及剩余强度预测模型，将纤维束轴向拉应力与剪应力共同作用的蔡—希尔破坏准则及纤维—基体界面脱粘后纤维束发生断裂的破坏准则推广到疲劳加载情况，并作为三维四向编织复合材料疲劳损伤破坏准则，同时引入基体破坏准则，建立了考虑纤维单丝强度分散性的三维四向编织复合材料疲劳寿命预测模型。通过与实验结果对比，表明本文所建立的三维四向编织C/C复合材料疲劳寿命预测模型预测精度较好。（5）三维四向编织C/C复合材料三维逐渐损伤有限元分析的强度与寿命预测方法研究。基于考虑纤维束间相互挤压接触的单胞模型，引入周期性位移边界条件及单向C/C复合材料的剩余强度模型和剩余刚度模型；采用Hashin失效判定准则判定纤维束的损伤类型，并提出相应的损伤退化模式及材料最终失效准则，实现对三维四向编织C/C复合材料在静载荷与疲劳载荷作用下的逐渐损伤破坏分析。试验验证表明，本文所建立的强度与寿命预测方法可以较好地预测静载荷和疲劳载荷作用下的损伤发生、扩展及最终失效。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-18
第一章绪论  18-29
  1.1 选题背景、研究的目的和意义  18
  1.2 国内外研究状况  18-26
    1.2.1 C/C 复合材料的构成组分及其性能  18-20
    1.2.2 单向 C/C 复合材料静载损伤失效分析的研究概况  20-21
    1.2.3 单向 C/C 复合材料疲劳加载损伤失效及寿命预测的研究概况  21
    1.2.4 三维四向编织 C/C 复合材料静载损伤失效分析的研究概况  21-24
    1.2.5 三维四向编织 C/C 复合材料疲劳加载损伤失效及寿命预测的研究概况  24-26
  1.3 存在的问题及解决办法  26
  1.4 本文研究的主要内容及创新点  26-29
    1.4.1 本文主要内容  26-28
    1.4.2 本文主要创新点  28-29
第二章 C/C 复合材料力学性能试验研究  29-64
  2.1 引言  29
  2.2 C/C 复合材料的制备与基本属性  29-30
    2.2.1 C/C 复合材料的制备  29
    2.2.2 C/C 复合材料基本属性测试  29-30
  2.3 碳纤维束疲劳损伤失效试验  30-36
    2.3.1 试验材料及试验设备  31
    2.3.2 纤维束准静态拉伸试验  31-32
    2.3.3 纤维束拉—拉疲劳试验  32-34
    2.3.4 纤维束剩余强度试验  34-36
  2.4 碳纤维单丝强度测试与分析  36-38
    2.4.1 纤维单丝拉伸强度分布理论  36
    2.4.2 碳纤维单丝强度测试及结果分析  36-38
  2.5 单向 C/C 复合材料力学特性试验研究  38-53
    2.5.1 试验条件和试验准备  38-39
    2.5.2 单向 C/C 复合材料纵向拉伸试验  39-44
    2.5.3 单向 C/C 复合材料纵向压缩试验  44-45
    2.5.4 单向 C/C 复合材料横向拉伸试验  45-47
    2.5.5 单向 C/C 复合材料横向压缩试验  47
    2.5.6 单向 C/C 复合材料面内剪切试验  47-53
  2.6 三维四向编织 C/C 复合材料试验研究  53-58
    2.6.1 试验条件及准备  54
    2.6.2 三维四向编织 C/C 复合材料纵向静拉伸试验  54-55
    2.6.3 三维四向编织 C/C 复合材料纵向拉－拉疲劳试验  55-57
    2.6.4 三维四向编织 C/C 复合材料纵向拉－拉疲劳剩余强度试验  57-58
    2.6.5 三维四向编织 C/C 复合材料纵向静拉伸破坏与拉－拉疲劳破坏断口比较  58
  2.7 C/C 复合材料界面强度试验  58-62
    2.7.1 单向 C/C 复合材料单丝顶出试验  58-60
    2.7.2 三维四向编织 C/C 复合材料纤维束顶出试验  60-62
  2.8 本章小结  62-64
第三章单向 C/C 复合材料疲劳寿命预测模型研究  64-75
  3.1 引言  64
  3.2 随机核模型简要介绍  64-66
    3.2.1 随机核模型的基本观点  64
    3.2.2 随机核的数量  64-65
    3.2.3 随机核临界尺寸  65
    3.2.4 复合材料的破坏概率  65
    3.2.5 随机核模型的建立  65-66
  3.3 单向 C/C 复合材料疲劳寿命预测模型与剩余强度模型  66-70
    3.3.1 单向 C/C 复合材料疲劳寿命预测模型建立  66-68
    3.3.2 单向 C/C 复合材料剩余强度预测模型建立  68-70
  3.4 单向 C/C 复合材料疲劳寿命预测模型的验证与分析  70-74
  3.5 本章小结  74-75
第四章三维四向编织复合材料细观模型及刚度预测模型  75-94
  4.1 引言  75
  4.2 三维四向编织复合材料细观结构模型的假设  75-77
  4.3 考虑纤维束间相互挤压变形的三维四向编织复合材料细观结构模型  77-81
  4.4 三维四向编织复合材料细观结构模型的建立  81-82
  4.5 三维四向编织复合材料弹性性能预测  82-85
  4.6 三维四向编织复合材料细观结构模型的验证及分析  85-89
    4.6.1 细观结构模型的验证  85-89
    4.6.2 编织角度对挤压变形程度的影响  89
  4.7 三维四向编织复合材料刚度预测与分析  89-92
    4.7.1 材料等效弹性性能预测  89-90
    4.7.2 子单胞刚度性能预测  90-91
    4.7.3 三维四向编织 C/C 复合材料刚度预测与分析  91-92
  4.8 离散化方法收敛性分析  92
    4.8.1 分割段数 K 对偏差δ的数值收敛性分析  92
    4.8.2 分割段数 K 对弹性常数的数值收敛性分析  92
  4.9 本章小结  92-94
第五章三维四向编织 C/C 复合材料疲劳寿命预测模型研究  94-105
  5.1 引言  94
  5.2 单向纤维束的损伤分析  94-97
    5.2.1 单向纤维束的应力分析  94-96
    5.2.2 单向纤维束的损伤准则和损伤形式  96
    5.2.3 纤维—基体界面脱粘后单向纤维束的二次损伤  96-97
  5.3 基体损伤分析  97-99
    5.3.1 基体应力分析  97-98
    5.3.2 基体损伤准则  98-99
  5.4 三维四向编织复合材料强度及疲劳寿命预测模型  99-102
    5.4.1 三维四向编织复合材料的强度预测模型及损伤分析  99
    5.4.2 三维四向编织复合材料的疲劳寿命预测模型及疲劳损伤分析  99-102
  5.5 三维四向编织 C/C 复合材料强度与疲劳寿命算例分析  102-104
  5.6 本章小结  104-105
第六章三维四向编织 C/C 复合材料疲劳寿命逐渐损伤有限元预测方法研究  105-123
  6.1 引言  105
  6.2 三维四向编织复合材料的细观应力分析  105-108
    6.2.1 单胞细观结构模型  105-106
    6.2.2 模型离散及周期性位移边界条件  106-107
    6.2.3 三维四向编织复合材料纵向刚度预测  107-108
  6.3 三维四向编织复合材料的静载逐渐损伤分析方法  108-111
    6.3.1 静载拉伸过程应力分析  108-109
    6.3.2 失效判定准则  109-110
    6.3.3 损伤过程中材料性能退化  110-111
  6.4 三维四向编织复合材料的疲劳逐渐损伤分析方法  111-113
    6.4.1 疲劳过程应力分析  111
    6.4.2 疲劳失效判定准则  111-113
    6.4.3 疲劳加载中材料性能退化方式  113
  6.5 单向纤维束材料模型  113-115
    6.5.1 单向纤维束材料刚度与强度  113-114
    6.5.2 单向纤维束材料剩余刚度与剩余强度  114-115
  6.6 三维四向编织复合材料疲劳寿命预测分析程序设计  115
  6.7 三维四向编织 C/C 复合材料逐渐伤破坏算例分析与试验验证  115-122
    6.7.1 三维四向编织 C/C 复合材料静强度逐渐损伤破坏分析与试验验证  117-119
    6.7.2 三维四向编织 C/C 复合材料静强度逐渐损伤扩展规律进一步分析  119-120
    6.7.3 三维四向编织 C/C 复合材料疲劳逐渐损伤破坏分析与试验验证  120-121
    6.7.4 三维四向编织 C/C 复合材料疲劳逐渐损伤扩展规律进一步分析  121-122
  6.8 本章小结  122-123
第七章总结与展望  123-126
  7.1 全文总结  123-124
  7.2 今后研究工作的展望  124-126
参考文献  126-132
致谢  132-133
在学期间的研究成果及发表的学术论文  133-134
附录：第二章附表  134-136

碳/碳复合材料疲劳寿命预测模型与分析方法研究

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