[发明专利]一种金属基复合材料在谱载荷下应力应变响应计算方法

说明书

本发明公开了一种金属基复合材料在谱载荷下应力应变响应计算方法，基于带基体裂纹长度的单胞模型求解单胞模型裂纹平面处复合材料基体和纤维承担的应力；将带裂纹的单胞模型的基体及纤维分成n个单元；建立含基体裂纹长度的摩擦滑移模型；确定SiC/Ti复合材料基体屈服条件，判断基体是否进入塑性屈服，求解带裂纹的单胞模型进入塑性屈服后裂纹平面处复合材料基体及纤维承担的应力；求解基体非边界单元屈服时，界面剪应力及纤维和基体应力应变；进行基体和纤维应变协调判断；求解复合材料特征单元、基体和纤维平均应力应变；基于上述步骤中含基体裂纹长度及基体塑性屈服的摩擦滑移模型计算谱载荷下金属基复合材料应力应变响应。

技术领域

本发明属于材料技术领域，特别涉及一种金属基复合材料在谱载荷下应力应变响应计算方法。

背景技术

连续碳化硅纤维增强钛基复合材料(Titanium Matrix Composites，以下简称SiC/Ti)具备高比强度和高比刚度等特性，主要被应用于航空发动机转子部件。SiC/Ti结构受到离心应力时，通常承受的是拉拉载荷，而且在实际服役环境中，拉拉载荷是无规律且复杂的，因此有必要研究SiC/Ti复合材料在谱载荷下的疲劳性能。通过研究金属基复合材料的界面微观力学性能，分析其影响因素，能够更深入地了解金属基复合材料的变形和断裂机理，这对于研究金属基复合材料的疲劳性能具有重要意义。为了更可靠地将金属基复合材料应用到实际结构中，需要研究其应力应变行为。而金属基复合材料作为一种复合材料，在谱载荷作用下会发生复杂的细观损伤失效，材料的应力应变行为展现出明显的非线性。所以，有必要对金属基复合材料谱载荷加载下应力应变行为计算方法展开研究，为研究复合材料在服役环境中的疲劳寿命打下良好的基础。

现有技术中，专利CN111400922 A“单向陶瓷基复合材料任意应变加卸载应力应变行为计算方法”提出了一种摩擦滑移模型并基于此模型计算单向陶瓷基复合材料在任意加卸载下的应力应变行为的方法，该模型模拟的是陶瓷基复合材料基体裂纹为贯穿裂纹时复合材料的应力应变行为计算方法，然而金属基复合材料基体为弹塑性材料，在加载过程中基体裂纹不是贯穿裂纹而且会随加载不断扩展，所以该方法不能用于分析金属基复合材料在任意加卸载下的应力应变行为。文献“Hysteresis loop model of unidirectionalcarbon fiber-reinforced ceramic matrix composites under an arbitrary cyclicload”基于摩擦理论提出了一种单向纤维增强陶瓷基复合材料细观力学模型，该模型实现了对单向纤维增强陶瓷基复合材料复杂载荷历程应力-应变响应的模拟，然而SiC/Ti复合材料金属基体开裂是缓慢扩展的过程，不是陶瓷基复合材料脆性基体的贯穿裂纹，再者金属基体为弹塑性材料，在加载过程中可能发生塑性屈服。目前国内外发展了一系列SiC/Ti复合材料细观力学模型，但大多数是采用剪切滞后理论来求解复合材料应力应变响应，传统的剪切滞后模型只能分析简单载荷下的应力应变响应，无法分析任意加卸载下的应力应变响应。

综上所述，有必要建立一种能有效计算金属基复合材料在谱载荷下应力应变响应的方法。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，考虑SiC/Ti复合材料非贯穿裂纹及基体的塑性屈服，本发明提供了一种金属基复合材料在谱载荷下应力应变响应计算方法，建立了一种单向纤维增强金属基复合材料细观力学模型，实现了SiC/Ti复合材料在谱载荷下的应力-应变响应的模拟。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种金属基复合材料在谱载荷下应力应变响应计算方法，包括以下步骤：

步骤一：基于带基体裂纹长度的单胞模型求解单胞模型裂纹平面处复合材料基体和纤维承担的应力；

步骤二：将带裂纹的单胞模型的基体及纤维分成n个单元；

步骤三：基于步骤一和步骤二建立含基体裂纹长度的摩擦滑移模型；