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层合陶瓷基复合材料多尺度应力—应变计算模型

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航空动力学报 2017年第6期32卷 1375-1380页

作者：方光武宋迎东高希光南京航空航天大学能源与动力学院江苏省航空动力系统重点实验室南京210016 南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室南京210016

对层合陶瓷基复合材料(CMCs)的应力-应变行为进行了研究。基于多尺度分析方法,实现了由组分性能参数到层合陶瓷基复合材料整体应力-应变的计算。采用可实现单向纤维增强陶瓷基复合材料应力-应变计算的细观力学模型,由材料的细观组分性... 详细信息

对层合陶瓷基复合材料(CMCs)的应力-应变行为进行了研究。基于多尺度分析方法,实现了由组分性能参数到层合陶瓷基复合材料整体应力-应变的计算。采用可实现单向纤维增强陶瓷基复合材料应力-应变计算的细观力学模型,由材料的细观组分性能计算出单向板的非线性弹性性能,并将单向板的弹性性能作为层合复合材料模型的输入参数,通过有限元法计算层合陶瓷基复合材料的整体应力-应变响应。与试验数据的对比表明:采用该模型可以实现层合陶瓷基复合材料在单调拉伸载荷及拉伸加卸载条件下应力-应变曲线的预测,其中数据的最大偏离为19.61%.

关键词：陶瓷基复合材料(CMCs) 多尺度模型应力—应变行为细观力学模型有限元法(FEM)

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单向纤维增强陶瓷基复合材料界面滑移规律

复合材料学报 2013年第4期30卷 101-107页

作者：方光武高希光宋迎东南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室南京210016

建立了分析单向纤维增强陶瓷基复合材料力学特性的界面摩擦模型。采用基体应变能准则对基体损伤状态进行预测;由Weibull分布模型拟合出纤维断裂分数;将界面磨损处理为纤维/基体相对滑移历程的函数τi=τi(Δδ),很好地表征了不同位置纤... 详细信息

建立了分析单向纤维增强陶瓷基复合材料力学特性的界面摩擦模型。采用基体应变能准则对基体损伤状态进行预测;由Weibull分布模型拟合出纤维断裂分数;将界面磨损处理为纤维/基体相对滑移历程的函数τi=τi(Δδ),很好地表征了不同位置纤维/基体相对滑移历程不同所引起的界面磨损程度的区别。运用该模型分析了准静态加载和拉-拉循环载荷下的应力-应变特性,预测结果与实验数据吻合较好。最后采用此模型研究了任意载荷历程下界面的滑移规律。

关键词：陶瓷基复合材料界面摩擦模型界面滑移载荷历程滑移区

考虑分层损伤的平纹编织SiC/SiC弯曲失效模拟

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推进技术 2023年第4期44卷 241-249页

作者：冯雨春张盛高希光南京航空航天大学能源与动力学院、航空发动机热环境与热结构工业和信息化部重点实验室江苏南京210016 南京航空航天大学能源与动力学院、江苏省航空动力系统重点实验室江苏南京210016

平纹编织SiC/SiC是航空发动机热端部件的理想材料,由于其层间性能较弱,在进行力学行为和失效机理研究时需要考虑材料分层损伤的影响。采用试验和数值模拟相结合的方法,研究了平纹编织SiC/SiC复合材料在四点弯曲下的失效模式和破坏过程,... 详细信息

平纹编织SiC/SiC是航空发动机热端部件的理想材料,由于其层间性能较弱,在进行力学行为和失效机理研究时需要考虑材料分层损伤的影响。采用试验和数值模拟相结合的方法,研究了平纹编织SiC/SiC复合材料在四点弯曲下的失效模式和破坏过程,通过数字图像相关法(DIC)技术实时观测试件分层损伤萌生和扩展过程。试验结果表明,分层破坏是复合材料四点弯曲最主要的失效形式。进一步,基于内聚力模型预测了平纹编织SiC/SiC复合材料梁的弯曲强度、分层萌生及扩展。预测结果与试验吻合较好,说明本文建立的数值模型是可行的。对内聚力模型中的参数进行研究,计算结果表明,法向应力极限值对弯曲曲线的初始斜率和峰值载荷均有一定的影响,而剪切应力极限值以及拉伸断裂能只对弯曲极限载荷有影响,剪切断裂能对数值模拟影响较小,失效载荷预测误差小于10%。

关键词：平纹编织SiC/SiC 分层损伤内聚力模型四点弯曲热端部件

陶瓷基复合材料多层界面相应力传递的有限元模拟

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复合材料学报 2018年第12期35卷 3415-3422页

作者：方光武高希光宋迎东安徽工业大学机械工程学院马鞍山243002 南京航空航天大学能源与动力学院航空发动机热环境与热结构工信部重点实验室南京210016 南京航空航天大学能源与动力学院江苏省航空动力系统重点实验室南京210016

针对陶瓷基复合材料(CMCs)多层界面相的应力传递进行了有限元模拟。采用圆柱单胞模型描述CMCs的细观结构,按相应界面相亚层的实际厚度建立明确的界面相,并假设界面相亚层之间及界面相与纤维、基体之间初始完好结合,然后赋予各界面相亚... 详细信息

针对陶瓷基复合材料(CMCs)多层界面相的应力传递进行了有限元模拟。采用圆柱单胞模型描述CMCs的细观结构,按相应界面相亚层的实际厚度建立明确的界面相,并假设界面相亚层之间及界面相与纤维、基体之间初始完好结合,然后赋予各界面相亚层不同的材料参数,并采用轴对称有限元法进行求解,最终建立了多层界面应力传递的模拟方法。分别对比了不同厚度热解碳(PyC)界面相、PyC和SiC两种不同成分界面相及(PyC/SiC)和(SiC/PyC)两种结构界面相的应力传递模拟结果。从剪应力沿纤维方向分布及径向分布特点可以看出,通过合理配置CMCs内部多层界面相的结构、成分和厚度,可以实现界面相应力传递及失效模式的控制和优化。

关键词：陶瓷基复合材料多层界面相应力分析有限元法细观力学

A Quadrilateral Element-based Method for Calculation of Multi-scale Temperature Field

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Chinese Journal of Aeronautics 2010年第5期23卷 529-536页

作者：孙志刚周超羡高希光宋迎东南京航空航天大学能源与动力学院江苏南京210016

In the analysis of functionally graded materials （FGMs）, the uncoupled approach is used broadly, which is based on homogenized material property and ignores the effect Of local micro-structural interaction. The higher-order theory for FGMs （HOTFGM） is a coupled approach that explicitly takes the effect of micro-structural gradation and the local interaction of the spatially variable inclusion phase into account. Based on the HOTFGM, this article presents a quadrilateral element-based method for the calculation of multi-scale temperature field （QTF）. In this method, the discrete cells are quadrilateral including rectangular while the surface-averaged quantities are the primary variables which replace the coefficients employed in the temperature function. In contrast with the HOTFGM, this method improves the efficiency, eliminates the restriction of being rectangular cells and expands the solution scale. The presented results illustrate the efficiency of the QTF and its advantages in analyzing FGMs.

关键词： functionally graded materials higher-order theory temperature field multi-scale computing quadrilateral cell

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多层界面相陶瓷基复合材料裂纹偏转机制模拟

航空动力学报 2019年第8期34卷 1805-1812页

作者：方光武高希光宋迎东安徽工业大学机械工程学院安徽马鞍山243002 南京航空航天大学能源与动力学院航空发动机热环境与热结构工信部重点实验室南京210016 南京航空航天大学能源与动力学院江苏省航空动力系统重点实验室南京210016

针对多层界面相陶瓷基复合材料(CMCs)裂纹偏转机制进行了有限元模拟。在圆柱单胞模型中,按照界面相各亚层的实际厚度建立多层界面相几何模型,然后赋予各亚层对应的组分材料参数,获取轴对称有限元模型。在此基础上,采用虚拟裂纹闭合技术(... 详细信息

针对多层界面相陶瓷基复合材料(CMCs)裂纹偏转机制进行了有限元模拟。在圆柱单胞模型中,按照界面相各亚层的实际厚度建立多层界面相几何模型,然后赋予各亚层对应的组分材料参数,获取轴对称有限元模型。在此基础上,采用虚拟裂纹闭合技术(VCCT)分别计算基体裂纹在界面相处偏转与穿透两种情形的能量释放率Gd和Gp,根据断裂力学准则实现对裂纹在多层界面相内部偏转机制的分析。可以看出:各向异性界面相比各向同性界面相内部的Gd/Gp比值更大,更利于裂纹偏转的发生;总厚度相同的多层界面相与单层界面相相比,其内部的Gd/Gp比值更高,裂纹在其内部发生偏转的机会更多,且五层界面相(PyC/SiC/PyC/SiC/PyC)比三层界面相(PyC/SiC/PyC)更利于裂纹发生偏转。

关键词：陶瓷基复合材料多层界面相裂纹偏转虚拟裂纹闭合技术(VCCT)

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三维颗粒增强复合材料细观温度场计算

航空动力学报 2009年第10期24卷 2285-2290页

作者：孙志刚宋迎东高希光苗艳南京航空航天大学能源与动力学院南京210016

将高阶理论推广到三维情况,采用界面平均温度代替温度函数中待定系数作为未知量,并取消了亚子胞的概念,减少了求解方程数量,有效地提高了计算效率.在单胞的热分析过程中,利用热流与平均温度之间的关系建立子胞热传导方程,进行温度场求解... 详细信息

将高阶理论推广到三维情况,采用界面平均温度代替温度函数中待定系数作为未知量,并取消了亚子胞的概念,减少了求解方程数量,有效地提高了计算效率.在单胞的热分析过程中,利用热流与平均温度之间的关系建立子胞热传导方程,进行温度场求解,并与有限元法计算结果进行了比较,验证了该方法的正确性和有效性.

关键词：高阶理论复合材料细观结构温度场

基于单向陶瓷基复合材料拉伸曲线的细观力学参数识别

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推进技术 2018年第9期39卷 2121-2126页

作者：韩笑高希光宋迎东南京航空航天大学能源与动力学院航空发动机热环境与热结构工业和信息化部重点实验室江苏南京210016 南京航空航天大学能源与动力学院江苏省航空动力系统重点实验室江苏南京210016 南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室江苏南京210016

为了确定陶瓷基复合材料组分材料的细观力学参数,对陶瓷基复合材料拉伸曲线与细观力学参数之间的关系进行了研究,提出了基于单向陶瓷基复合材料拉伸曲线的细观力学参数的识别方法。单向陶瓷基复合材料典型的拉伸曲线可分为三段:初始线... 详细信息

为了确定陶瓷基复合材料组分材料的细观力学参数,对陶瓷基复合材料拉伸曲线与细观力学参数之间的关系进行了研究,提出了基于单向陶瓷基复合材料拉伸曲线的细观力学参数的识别方法。单向陶瓷基复合材料典型的拉伸曲线可分为三段:初始线性段、过渡段以及第二线性段。基于剪滞模型,建立单向拉伸曲线初始线性段的斜率、第二线性段的斜率以及截距的表达式,并将理论值与实验值进行比较,从而识别出细观力学参数。最后将识别出的细观力学参数带入剪滞模型,并预测SiC/SiC单向陶瓷基复合材料的轴向拉伸应力应变曲线。预测结果与实验吻合很好,说明该细观力学参数的识别方法是可行的。同时采用另一种方法测量纤维弹性模量。两种方法的测量偏差小于5%,进一步证明了本文方法是合理的。

关键词：单向陶瓷基复合材料轴向拉伸曲线剪滞模型细观力学参数参数识别

针刺C/SiC复合材料应力-应变模型及试验验证

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复合材料学报 2016年第4期33卷 827-832页

研究了室温下针刺C/SiC复合材料的静拉伸应力-应变行为。基于显微CT技术重构的微观型貌,选取恰当的代表体积单元,建立了针刺C/SiC复合材料应力-应变性能预测的单胞模型。基于可实现任意加卸载下单向纤维增强C/SiC复合材料应力-应变计算... 详细信息

研究了室温下针刺C/SiC复合材料的静拉伸应力-应变行为。基于显微CT技术重构的微观型貌,选取恰当的代表体积单元,建立了针刺C/SiC复合材料应力-应变性能预测的单胞模型。基于可实现任意加卸载下单向纤维增强C/SiC复合材料应力-应变计算的界面摩擦模型,由材料的细观组分性能计算出单向纤维束层的应力-应变响应,然后将单向纤维束层的应力-应变响应代入到单胞模型中,通过有限元法计算得到针刺C/SiC复合材料的整体应力-应变响应。进行了针刺C/SiC复合材料静拉伸试验,测得材料的应力-应变响应,计算结果与试验吻合较好。

关键词：针刺C/SiC复合材料应力-应变行为单胞模型细观力学有限元法拉伸试验