[发明专利]一种金属基复合材料拉压疲劳迟滞回线预测方法

说明书

本发明公开了一种金属基复合材料拉压疲劳迟滞回线预测方法，具体为：根据BHE剪滞模型确定单向碳化硅纤维增强钛基复合材料脱粘段和未脱粘段的纤维、基体、剪应力分布；确定脱粘区长度、界面初始脱粘应力与界面完全脱粘应力；确定反向滑移区长度以及反向滑移临界应力；确定复合材料拉伸加、卸载阶段的应力应变关系；确定复合材料压缩加、卸载阶段的应力应变关系；确定裂纹间距、界面剪应力随循环数的变化规律；确定给定循环数的纤维断裂分数；给定循环数N，结合以上步骤，得到复合材料随循环数变化的疲劳迟滞回线。本发明可以准确的预测出复合材料在不同基体裂纹间距、不同滑动界面剪应力、不同纤维断裂体积分数下以及不同循环数下的应力应变关系。

技术领域

本发明涉及一种金属基复合材料拉压疲劳迟滞回线预测方法，具体涉及一种单向碳化硅纤维增强钛基复合材料拉压疲劳迟滞回线预测方法。

背景技术

碳化硅纤维增强钛基复合材料的高比强度、高比刚度、耐高温、结构稳定性等优异性能，使其成为航空航天领域不可替代的新型结构材料之一，广泛应用于航空发动机转子部件、叶片、整体叶环等结构，对于减轻航空发动机的重量，提高发动机推重比具有重大的意义。

在服役条件下，碳化硅纤维增强钛合金基复合材料需要承受各种复杂的载荷，其中包括拉伸-压缩疲劳载荷。当碳化硅纤维增强钛合金基复合材料承受中等幅值拉-压疲劳载荷时，随着疲劳过程的进行，会产生基体开裂、界面脱粘及磨损、纤维断裂等不同形式的损伤，其应力应变响应会出现疲劳迟滞回线，即疲劳迟滞环。迟滞环的大小、位置、斜率分别体现着材料的迟滞耗散能、残余应变与割线模量。随着疲劳循环数的累积，上述参数也会出现相应地变化，这些变化最终会导致复合材料的失效。因此，快速有效的预测出单向碳化硅纤维增强钛合金基复合材料的疲劳迟滞回线，能够为材料服役过程中的寿命预测、维修检测提供重要的理论依据，并为材料可靠性设计提供必备的技术支撑。

目前，对于确定碳化硅纤维增强钛基复合材料拉压疲劳迟滞回线的方法主要是采用实验的方法，文献《Tension-compression fatigue behavior of a unidirectionaltitanium-matrix composite at elevated temperature》([J].Composites science andtechnology,1997,57(1):99-117)对碳化硅纤维增强钛基复合材料进行拉伸-压缩疲劳实验，通过试验机中测得的各个循环的应力应变数据点作图，从而得到某些循环下的迟滞回线。但是该方法只能得到迟滞回线随循环数的变化过程，不能分析各种损伤对疲劳迟滞回线的影响。另一方面，采用实验的方法耗费大量的时间、人力与物力。对于连续纤维增强金属基复合材料的疲劳迟滞行为的预测方法，文献《SiC_f/Ti复合材料静拉及疲劳力学行为研究》([D].南京航空航天大学,2017)对SiC_f/Ti复合材料在拉拉疲劳载荷作用下的迟滞行为进行了理论和试验研究，但其并未对该材料的拉压疲劳迟滞行为进行研究，而金属基复合材料在拉拉与拉压疲劳载荷下的损伤机理不同，拉拉疲劳载荷下，复合材料脱粘区在拉伸加载阶段，存在正向滑移区、反向滑移区与新滑移区三部分，而且不存在裂纹闭合阶段，而在拉压疲劳载荷下，由于复合材料应力卸载到0时，其裂纹并未完全闭合，因此需要考虑裂纹的闭合问题，而且在拉伸加载阶段，复合材料并不存在反向滑移区，因此拉拉疲劳载荷下复合材料的迟滞回线的预测方法并不能适用于拉压疲劳载荷。目前，采用理论的方法预测复合材料迟滞回线在国内外主要集中在陶瓷基复合材料，文献《陶瓷基复合材料梁损伤非线性振动响应及模拟》([D].南京航空航天大学,2012)基于剪滞模型对单向陶瓷基复合材料的拉压本构关系进行了理论推导，但是其只推导了初始加卸载以及反向加卸载的应力应变关系，即第一个循环的拉压应力应变关系，并不能得到其他循环下的应力应变关系，而且其并没有考虑纤维断裂的影响，陶瓷基复合材料与金属基复合材料的损伤机理也不相同，陶瓷基复合材料由于基体的脆性，在初始的加载阶段即可能产生大量的基体开裂，而金属基复合材料基体裂纹在初始循环加载时并不会立刻出现，而是在一定的循环数后从界面的微小缺陷处开始萌生，并逐渐扩展。因此单向陶瓷基复合材料的拉压本构方法并不能简单的应用到金属基复合材料的拉压迟滞回线的模拟。以上文献都是基于剪切滞后模型，剪切滞后模型主要是考虑纤维与基体的相对滑移与反向滑移，适合于复合材料加载与卸载段的模拟，因此目前剪切滞后模型主要用于模拟复合材料拉拉疲劳迟滞回线，但是对于拉压疲劳来说，当应力卸载到0反向加载时存在一个裂纹闭合阶段，剪切滞后模型并不能分析裂纹闭合阶段的应力应变关系。