本發明涉及航空復合材料可靠性評估，具體涉及一種三維編織陶瓷基復合材料疲勞預測模型計算方法。

背景技術：

1、航空發動機的更新換代推動了高溫合金材料、復合材料等新型材在工程上的應用。高推重比航空發動機的熱端部件，其結構所選用的材料需具備高比強度、高比模量、耐高溫、抗氧化、長壽命等性能，傳統的鎳基高溫合金材料已難以滿足當前設計工況下的使用需求。在此背景下，應用于熱端部件的耐高溫材料對于提升發動機整體性能具有重要意義。近年來國內外學者逐漸將研究重點轉向在超高溫環境下表現出優異力學性能的陶瓷基復合材料(ceramic?matrix?composites,cmcs)，由于其卓越的耐高溫、耐腐蝕、耐磨損性能，cmcs被視為未來航空發動機熱端部件的理想材料。

2、航空發動機內部結構件的疲勞失效可能會引發災難性的后果，因此結構件的疲勞壽命已成為航空發動機設計、使用、維護需要特別關注的關鍵指標。如何確保cmcs結構在長時間的振動疲勞載荷下依然安全可靠的發揮其力學性能，已成為cmcs結構動力學強度設計中的核心難題。因此，研究并建立一種科學合理的疲勞預測模型，對于提高發動機部件的可靠性和安全性具有重要意義。

3、常用的cmcs結構根據其預制體的編織結構類型可分為單向、二維編織和三維編織三類，單向cmcs僅在纖維方向具有承受載荷的能力，在工程實際中應用較少，多用于材料性能研究。二維編織cmcs由兩種方向的紗線交錯編織，雖然層間有一定的承載能力，但易分層且無法制作彎曲部件。三維編織cmcs通過紗線連接各層，具備優異的層間性能和較強的抗剪切、抗沖擊能力，能夠制造各類回轉部件，目前已在實際工程中得到了廣泛的應用，但目前尚未有專門的針對三維編織cmcs的疲勞預測方法。

技術實現思路

1、本發明的目的是為了提供一種三維編織陶瓷基復合材料疲勞預測模型計算方法，考慮了不同溫度環境對sic/sic纖維束復合材料的影響，使得預測結果能夠更好地適應實際工作環境，尤其是在高溫或極端環境下的工程應用中；并且能夠在保證預測精度的同時，大幅減少計算復雜度和時間消耗，提升了仿真效率，具有較高的工程應用價值。

2、為實現上述技術目的，本發明采取的技術方案為：

3、一種三維編織陶瓷基復合材料疲勞預測模型計算方法，所述方法包括以下步驟：

4、s1，開展不同溫度環境下sic/sic纖維束復合材料的拉伸試驗，得到纖維束cmcs的拉伸強度；

5、s2，基于纖維束cmcs的拉伸強度，開展不同溫度環境下sic/sic纖維束復合材料拉-拉疲勞試驗；

6、s3，將疲勞試驗所得力-位移數據進行處理，通過最大試驗力與最大位移之比計算得到纖維束cmcs剩余剛度曲線，并進行正則化處理，采用統一的函數關系來擬合纖維束復合材料的正則化剩余剛度隨循環次數衰減的變化規律，得到纖維束復合材料剩余剛度退化模型；

7、s4，建立三維編織cmcs的rve有限元模型，對rve有限元模型進行周期性網格劃分并賦予材料屬性；

8、s5，應用疲勞失效準則判斷模型單元是否失效，統計失效單元的數量和分布情況；根據單元失效結果判斷整體結構是否失效，當失效單元形成完整的斷裂面時，則認為結構失去承載能力，結束流程，否則，轉入步驟s6；

9、s6，若結構未發生失效，針對未失效單元，利用纖維束復合材料剩余剛度退化模型計算其在循環載荷作用下的剩余剛度；對于已失效單元，對其剛度進行折減，并根據更新后的計算結果重新賦值材料屬性；

10、s7，重復步驟s5和步驟s6，迭代計算至結構失效，輸出結構失效單元的分布情況、經歷的疲勞循環次數、剛度退化曲線結果。

11、作為其中的一種優選例，步驟s3中，所述纖維束復合材料剩余剛度退化模型為：

12、

13、式中，emin(n)代表sic/sic纖維束復合材料在經過n次疲勞循環載荷，內部產生損傷后的剩余剛度，emin(0)表示材料的初始剛度，a'和b'不同溫度下的材料相關的系數。

14、作為其中的一種優選例，步驟s4進一步包括：

15、建立符合三維編織cmcs細觀結構的三維編織cmcs幾何模型，并對其進行周期性網格劃分和周期性邊界條件的施加，構建得到三維編織cmcs的rve有限元模型。

16、作為其中的一種優選例，步驟s4中，三維編織cmcsrve模型的幾何參數關系滿足以下條件：

17、

18、式中，α為rve模型表面編織角，γ為內部編織角，w為rve模型底邊正方形寬度，h模型為rve模型高度；纖維束橫截面為一個內切橢圓的八邊形，l1和l2分別為八邊形的邊長，a和b分別為纖維束橫截面的內切橢圓的長半軸和短半軸。

19、作為其中的一種優選例，步驟s4中，施加在rve模型上的周期性位移場滿足以下條件：

20、uj+-uj-＝ε-(xj+-xj-)＝ε-δxj

21、式中，u表示節點位移；上標j+和j-表示rve模型的第j組相對平行面；ε-表示rve模型全場平均應變；x表示相對平行面在x方向的絕對位置；δxj表示第j組相對平行面沿x方向的距離。

22、作為其中的一種優選例，步驟s4中，針對三維編織cmcs?rve模型模型的三對平行面的約束方程為：

23、

24、其中，u、v、w為節點分別在x、y、z方向的位移，下標i、j、k、m、n、o表示相應面上的節點；下標a、b、c、d、e、f、g、h表示rve模型各頂點；表示rve模型的平均應變，b為纖維束橫截面短半軸長，h為rve模型高度。

25、作為其中的一種優選例，步驟s5中，在三維hashin失效準則中引入剩余剛度和剩余強度，作為用于三維編織sic/sic復合材料單元疲勞分析的疲勞失效準則，疲勞失效準則的表達式如下：

26、纖維拉伸失效表達式為：

27、

28、纖維壓縮失效表達式為：

29、

30、基體拉伸失效表達式為：

31、

32、基體壓縮失效表達式為：

33、

34、纖維和基體剪切破壞表達式為：

35、

36、式中，σm表示m方向的主應力，m＝1、2、3；σpq表示材料作用于正p面指向q軸的剪切應力，p＝1、2、3，q＝1、2、3；下標t、c分別表示拉伸和壓縮狀態；x(n)、y(n)表示疲勞循環次數為n時，纖維束復合材料縱向和橫向的強度；spq(n)表示材料疲勞循環次數為n時的剪切強度。

37、與現有技術相比，本發明的有益效果如下：

38、第一，本發明的三維編織陶瓷基復合材料疲勞預測模型計算方法，綜合考慮了陶瓷基復合材料在疲勞載荷下的多種損傷形式以及不同溫度環境對sic/sic纖維束復合材料的影響，可計算任意峰值疲勞循環載荷下材料的疲勞壽命、剩余剛度退化曲線，使得預測結果能夠更好地適應實際工作環境，尤其是在高溫或極端環境下的工程應用中。

39、第二，本發明的三維編織陶瓷基復合材料疲勞預測模型計算方法，建立了三維編織rve模型，能夠在保證預測精度的同時，減少了計算復雜度和時間消耗，提升了仿真效率，具有較高的工程應用價值。

40、第三，本發明的三維編織陶瓷基復合材料疲勞預測模型計算方法，可用于代替各種復雜載荷下各類編織cmcs結構中紗線的力學行為響應。