[发明专利]一种基于渐近损伤模型的陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓连接结构高温失效强度预测方法

说明书

本发明提出了一种基于渐近损伤模型的陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓连接结构高温失效强度预测方法。采用Fortran语言将非线性本构模型、失效准则及材料退化模型编写成用户子程序UMAT文件，并嵌入到ABAQUS有限元软件中实现高温拉伸条件下陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓紧固件的渐进损伤分析。本预测方法快速、高效，能够显著节省试验耗时及成本，摆脱昂贵的试验设备及复杂的试验环节的制约，且该方法对于不同搭接方式、材料属性、不同环境温度及装配参数的接头只需修改材料和结构参数以及环境温度，为高超声速飞行器陶瓷基复合材料机械连接结构的结构设计及强度预测提供重要的技术支持。

技术领域

本发明涉及一种基于渐近损伤模型的陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓连接结构高温失效强度预测方法，属于陶瓷基复合材料结构设计领域。

背景技术

碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料具有高强度、高硬度、耐高温、抗烧蚀和低密度等一系列优异性能，已成为航空航天领域极具发展前景的新一代高温热结构。由于制造大尺寸且结构复杂的C/SiC复合材料结构十分困难且造价高昂，因此具有可重复拆卸、高载荷传递能力、高可靠性、高性价比等特点的螺栓连接结构，在航空航天飞行器尤其是高超声速飞行器中得到广泛应用。沉头螺钉连接结构具有外表面光滑且传递载荷平稳等优势，特别适合用于具有平滑气动外形及隐身性能要求的飞行器蒙皮结构。

然而，由于连接材料的不连续或结构形状的间断，导致沉头螺栓紧固件孔周产生复杂的应力集中，从而显著降低复合材料连接结构的承载效率。因新型高超声速飞行器一般服役于极端复杂环境载荷中，机械连接结构往往是航空航天飞行器结构中的薄弱部位，因此，沉头螺栓连接件的强度分析与设计对提高结构承载效率及维护结构完整性起着至关重要的作用，成为飞行器结构设计中的关键技术。从国内外研究现状及文献检索情况来看，针对沉头螺栓紧固件对连接结构力学性能的影响研究大多集中于纤维增强树脂基复合材料机械连接结构，而关于陶瓷基复合材料沉头螺钉连接结构高温力学行为及失效模式的相关研究还很匮乏，特别是由于陶瓷基复合材料与金属材料高温热膨胀系数不匹配导致连接结构装配参数的显著改变，从而使连接结构紧固区高温热应力、加载应力及装配应力的复杂叠加。对于陶瓷基复合材料连接结构高温力学性能传统实验研究需要消耗大量的资金，并且受制于实验设备和实验技术的制约。而对于陶瓷基复合材料沉头连接结构高温拉伸性能分析中，接触设置一般较为复杂，大量的非线性接触的隐式求解极容易产生不收敛，因此对于陶瓷基复合材料沉头连接结构高温拉伸性能有限元计算过程中，收敛性成为分析过程中的主要技术难点。

发明内容

为克服现有模拟技术的不足，本发明提供一种基于渐近损伤模型的陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓连接结构高温失效强度预测方法，该方法可以对陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓紧固件的强度和失效损伤模式进行有效的分析和预测，可以降低试验成本及试验周期，节约资源与能源，适用于指导实际工程应用，更好地保障结构安全性。

一种基于渐近损伤模型的陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓连接结构高温失效强度预测方法，所述设计方法包括以下步骤：

S100、通过对C/SiC陶瓷基复合材料单轴拉伸和剪切加卸载试验及压缩试验性能测试获得其应力-应变曲线，并在此基础上建立C/SiC陶瓷基复合材料非线性本构模型；

S200、根据陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓紧固件的几何参数、装配参数和环境温度，采用ABAQUS软件建立陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓紧固件高温单轴拉伸加载条件下三维有限元分析模型；

S300、基于C/SiC复合材料结构三维有限元模型进行应力分析，并在第k增量步时，开始调取单元积分点的应力σ^k；

S400、应用适用于C/SiC陶瓷基复合材料的Tsai-Wu失效准则预测复合材料的失效状态及失效模式；