纺织陶瓷基复合材料结构热-力学行为多尺度模型研究

This proposal employs a multi-scale modelling technique, i.e. the physical model at the micro-scale, the Binary Model of a unit cell at the meso-scale, and the Binary Model of an integrated structure at the macro-scale, to investigate the thermal-mechanical behaviour of textile ceramic matrix composites (CMCs). The nonlinear material properties caused by strain-induced damage and the effects of irregular waviness of fibre tows are considered. A carbon fibre/carbon-SiC matrix (C/C-SiC) plain weave composite is chosen to study ① the mechaical, heat transfer, and themal-mechanical coupling behaviour of textile CMCs materials; ② the effects of stain-induced damage on the textile CMCs material's themral-mechaical behaviour; ③ the mechaical, heat transfer, and themal-mechanical coupling behaviour of textile CMCs open-hole coupons and circular tubes; ④ and the effects of irregular tow waviness on the themral-mechanical behaviour of textile CMCs open-hole coupons and circular tubes. Tension tests of dog-bone specimens and open-hole coupons will be carried out under ambient and high temperatures (1300 C). The theoretical prediction is to be validated by the new experimental data and those obtained from a previous test. The work will provide an computational efficient approach to analyse textile CMCs structures. The significance of this project is that it can disclose the thermal-mechanical behavour of textile CMCs materials and structures, and illuminate the effects of irregular tow waviness. The findings from the investigation will lay a scientific foundation for the rational design of textile CMCs structures.

本项目拟采用多尺度模型与方法，即微观尺度的物理解析法、细观尺度的双组元单胞模型及宏观尺度的双组元整体结构模型，考虑纺织陶瓷基复合材料(CMCs)应变损伤引起的材料非线性，考虑纤维束不规则分布的影响，以一种C/C-SiC平纹复合材料为具体对象，探索①纺织CMCs材料的力学、热传导及热力耦合行为；②应变损伤对纺织CMCs材料热-力学行为的影响；③纺织CMCs开孔件和圆管结构的力学、热传导及热力耦合行为；④纤维束不规则分布对纺织CMCs开孔件和圆管结构热-力学行为的影响。开展常温和高温(1300 C)下狗骨与开孔试件单向拉伸试验，结合已有试验数据，对模型预测结果进行验证。研究工作将为分析纺织CMCs结构提供高效计算方法，对揭示纺织CMCs材料与结构热-力学行，对阐明纤维束不规则分布的影响规律有重要意义，研究结果可为合理设计纺织CMCs结构提供科学依据。

纺织陶瓷基复合材料（CMCs）轻质、高强、耐高温，而且克服了传统层合CMCs脆性大、易分层、开裂敏感和损伤扩展快等缺点。通过先进纺织技术，可以实现对宏观结构或部件进行整体制作。目前，纺织陶瓷基复合材料已成为火箭喷管、航空发动机、热防护系统等高温部件的理想选材。. 本项目针对纺织陶瓷基复合材料细观组织结构复杂、纤维束分布不规则、基体存在大量缺陷等问题，提出了基于有限元方法的非线性双组元模型；发展了基于随机分布理论的纤维束模型，揭示了纤维束不规则分布对复合材料热力学行为的影响；建立了基于域分解方法的非线性单胞模型，揭示了损伤演变对材料拉伸性能的影响；建立了非线性有限元模型预测开孔平纹陶瓷基复合材料拉伸应力应变响应；开展了单轴拉伸试验验证数值分析结果的正确性。本项目按照进度计划主要完成了以下研究工作：（1）基于非线性双组元模型的平纹陶瓷基复合材料拉伸热力学行为；（2）基于随机分布的纤维束不规则分布双组元多尺度分析模型；（3）基于域分解法的平纹陶瓷基复合材料拉伸性能及损伤分析；（4）开孔平纹陶瓷基复合材料拉伸性能预测；（5）纺织复合材料单轴拉伸试验。取得了预期的研究成果，已发表与本项目相关的国内外学术论文10篇，其中本领域内SCI收录高水平学术期刊论文2篇，编写结题报告期间3篇SCI论文正在外审。授权发明专利3项，计算机软件著作权登记1项。培养博士研究生2人，硕士研究生4人。. 理论与技术成果可用来预测陶瓷基复合材料的损伤演变与破坏过程，为分析和评估其热力学性能提供了有效手段。研究成果为合理设计纺织CMCs结构部件奠定理论基础，对分析和设计航空发动机、火箭发动机，刹车制动系统，以及高超音速飞行器的耐高温陶瓷基复合材料部件具有重要的理论意义和工程应用价值。