针刺陶瓷基复合材料应力应变响应模拟及验证

论文摘要

针刺陶瓷基复合材料不仅改善了二维编织陶瓷基复合材料层间强度，而且比三维编织陶瓷基复合材料的工艺简单、成本低，是一种极有发展潜力的复合材料。目前国内外针对针刺陶瓷基复合材料的制备工艺和静强度试验开展了大量的研究，但是针对该材料的本构关系与失效模型研究较少。因此对其本构关系与失效模型的研究有着积极的工程意义与应用价值。根据针刺C/SiC复合材料细观结构照片，建立了针刺C/SiC复合材料的细观结构分析模型，采用有限元法对其弹性性能进行了预测，并与试验值进行对比，吻合较好，最后分析了工艺参数对弹性性能的影响。对于孔隙率，采用金相法与排水法测量开孔孔隙率，采用密度法计算总孔隙率，并将孔隙折减到相应的基体模量中，最后将折减后的模量代入模型进行弹性性能预测。在建立的细观结构模型基础上，对针刺C/SiC复合材料拉伸应力-应变曲线进行了理论模拟和实验研究。采用细观力学模型、基体初始开裂模型、纤维失效统计学模型和剪滞理论来模拟针刺C/SiC复合材料中的基体和纤维束失效，同时引入相应的破坏准则与刚度折减准则，分析了加载过程中的失效演化，得到了材料的应力-应变曲线，与试验数据吻合较好。基于连续损伤力学理论和实验曲线，建立了针刺C/SiC复合材料损伤演化的本构方程。首先依据理论推导出本构方程和损伤演化方程；然后根据细观力学模型计算出的弹性性能参数以及试验曲线确定方程中的参数，并将模型写入Matlab和Ansys二次开发（UPFs）中进行模拟验证；最后根据建立的本构模型对复杂结构进行有限元分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 图表清单
• 注释表
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 国内外研究状况
• 1.2.1 针刺 CMCs 国内外研究现状
• 1.2.2 CMCs 弹性本构模型国内外研究现状
• 1.2.3 CMCs 非线性本构模型国内外研究现状
• 1.3 本文主要研究工作
• 第二章 针刺 CMCs 细观力学弹性本构模型
• 2.1 引言
• 2.2 针刺 CMCs 的细观结构分析模型
• 2.2.1 单胞的选取
• 2.2.2 细观模型的建立
• 2.2.3 性能预测方法
• 2.3 试验验证
• 2.3.1 有限元模型的建立
• 2.3.2 孔隙率的测量与计算
• 2.3.3 纤维束与网胎层性能计算
• 2.3.4 单胞弹性性能预测与试验对比
• 2.3.5 工艺参数对针刺 C/SiC 复合材料弹性性能的影响
• 2.4 本章小结
• 第三章 针刺 CMCs 细观力学非线性本构模型
• 3.1 引言
• 3.2 针刺 CMCs 的失效模式
• 3.3 针刺 CMCs 的失效模型
• 3.3.1 细观力学模型
• 3.3.2 BHE 剪滞模型
• 3.3.3 基体初始开裂模型（ACK 模型）
• 3.3.4 纤维失效统计学模型
• 3.3.5 组分材料指数退化模型
• 3.3.6 刚度折减模型
• 3.4 细观损伤的有限元模拟
• 3.4.1 有限元模拟的流程
• 3.4.2 应力应变曲线的模拟
• 3.4.3 有限元失效过程的模拟
• 3.5 实验过程与试验对比
• 3.5.1 实验过程
• 3.5.1.1 实验准备
• 3.5.1.2 实验设备
• 3.5.1.3 实验步骤和实验结果
• 3.5.2 试验对比
• 3.6 本章小结
• 第四章 针刺 CMCs 宏细观结合的本构模型
• 4.1 引言
• 4.2 建立材料含损伤的本构关系和损伤演化方程
• 4.2.1 损伤本构方程的建立
• 4.2.2 损伤演化方程的建立
• 4.3 损伤演化方程中参数的确定
• 4.4 ANSYS 子程序 USERMAT.F 的介绍
• 4.4.1 子程序 USERMAT.F 的参数
• 4.4.2 开发新材料本构模型 USERMAT.F 的核心任务
• 4.4.3 材料属性的定义与单元选取
• 4.4.4 子程序的编译步骤
• 4.4.5 子程序的结构介绍
• 4.5 宏细观结合的本构模型的验证
• 4.6 宏细观结合的本构模型的结构分析算例
• 4.7 本章小结
• 第五章 全文总结与展望
• 5.1 本文的主要工作和总结
• 5.2 今后的研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文