二维/三维机织SiC/SiC复合材料室温复杂载荷下细观尺度变形与失效行为研究

SiC/SiC composites are the key structural materials for the advanced aero-engine hot-section components. Due to the interaction of multi-scale mechanical mechanisms, the macroscopic deformation and failure of SiC/SiC composites are inevitably affected by the meso-scale textile structure. The accurate prediction of strength relies on the real structure modeling on meso-scale and accurate physical mechanism-based deformation/damage model. This project is to quantitatively investigate the influence of specific meso-scale textile structure on the macroscopic mechanical properties of 2D/3D woven SiC/SiC composites at room temperature. First, the meso-scale structure of the material will be reconstructed based on the CT scan images, and a meso-scale finite element model representing the actual three-dimensional structure of the material will be established. Second, the mechanical test platform with digital image correlation measurement will be established to conduct experimental research on meso-scale deformation and damage mechanism of textile SiC/SiC composites. Then the meso-scale material constitutive model coupled with multi-damage mechanisms will be developed. Finally, an accurate, stable and efficient method for simulating damage evolution and failure under complex loads. With the numerical method, material strength scatter will be studied with meso-scale textile parameter statistics, and structure sub-element failure will be simulated and verified. The research would provide theoretical basis and scientific method for the material strength prediction/ optimization and structural strength analysis of SiC/SiC hot-section components in aero-engines.

SiC/SiC复合材料是先进航空发动机热端部件的关键结构材料。由于多尺度力学机制相互作用，SiC/SiC纺织复合材料的宏观变形和破坏不可避免地受到细观纺织结构的影响，因此对其强度的准确预测依赖于细观尺度的真实结构建模和基于物理机制的准确变形/损伤模型。本项目拟针对二维/三维机织SiC/SiC复合材料开展其细观尺度结构对室温宏观力学性能影响的准确量化研究。首先，基于CT扫描进行材料细观结构重构，建立体现材料内部真实三维结构的细观有限元模型；其次，基于数字图像相关测量的力学试验平台，开展细观尺度变形与损伤机理试验研究；然后，发展多损伤机制耦合的细观材料本构模型；最终建立准确、稳定、高效的复杂载荷材料损伤演化与失效过程模拟方法。在此基础上，开展基于细观纺织参数统计的材料强度分散性研究，和结构模拟件失效仿真与验证研究，为SiC/SiC材料强度预测/优化和结构强度分析提供理论依据和科学方法。

本项目“二维/三维机织SiC/SiC复合材料室温复杂载荷下细观尺度变形与失效行为研究”（批准号：51802264），以先进航空发动机热端部件应用为牵引，以纺织陶瓷基复合材料为对象，通过试验和仿真两个方面，从细观尺度研究纺织结构和复杂载荷对CMCs力学性能的影响。..首先，开展了CMCs细观尺度重构建模。利用微焦点CT对试样进行扫描获取其内部高分辨率微观结构信息。初步研究中，采用手动提取CT图像中的结构几何信息并利用CAD软件开展重构建模。然后，利用图像处理方法，完成了细观尺度组分的自动识别与分割，并完成了各组分的有限元网格划分，建立了与真实结构一致的细观重构有限元模型；..其次，开展了典型载荷下机织CMCs细观变形与失效实验研究。搭建了DIC非接触测量平台，建立了力学试验-细观应变场测量试验系统；对不同编织方式的CMCs开展了力学性能表征试验；对加载过程中的细观变形场进行测量，并对细观结构对变形场分布、裂纹演化的影响规律开展了深入研究；..最后，开展了CMCs细观尺度破坏行为数值模拟。建立了细观尺度纤维束、基体材料损伤本构模型并开发了相应的材料本构模型子程序；对多种编织CMCs的重构模型开展了力学性能模拟，预测其宏观应力应变关系，并对纺织结构和缺陷的不规则形和分散性对细观尺度变形规律和失效的影响进行了深入分析。..通过该项研究，基本建立了针对纺织陶瓷基复合材料的细观尺度重构建模与仿真模拟方法，支撑CMCs材料强度预测/优化和结构强度分析，为CMCs在航空发动机热端部件的应用提供理论依据和科学方法。