编织C/SiC复合材料的各向异性损伤演化及本构关系研究

C/SiC陶瓷基复合材料是适应航空航天科技的发展应运而生的一种优异的耐高温、低密度热结构复合材料。该材料是一种典型的非均质多孔材料，建立能够描述C/SiC复合材料损伤演化和非线性力学行为的本构关系具有重要理论和应用意义。本项目拟采用理论和数值相结合的方法揭示C/SiC复合材料界面裂纹与微结构的交互作用和演化机制。基于断裂力学和最弱链理论，统计模拟含初始缺陷C/SiC纤维束中微裂纹的串接过程。建立编织C/SiC复合材料的单胞模型，结合组合加载试验结果分析编织结构的破坏机制(如层拔出，层断裂等)和损伤耦合关系。在连续损伤力学框架下，给出能够描述C/SiC复合材料损伤耦合特性的损伤影响张量；基于损伤驱动力给出各向异性损伤屈服函数；采用等效损伤作为损伤硬化参量，提出适合C/SiC复合材料的上翘型等向硬化和运动硬化函数，建立C/SiC复合材料的损伤本构关系，得到各向异性损伤和损伤残余应变的演化规律。

考虑C/SiC纤维束内部孔洞的影响和纤维束在空间上的不完全连续，采用Mori-Tanaka等效方法计算了C/SiC纤维束的弹性性能，继而得到了2.5D-C/SiC复合材料的宏观弹性性能，并探讨了纤维束内部孔洞体积含量对材料弹性性能的影响。分析表明孔洞对纵向、横向及厚度方向的影响不同，并且必须考虑实际结构的接触状态和传力路径才能做出准确的预报。.　　建立了SiC基体中含初始裂纹的C/SiC纤维束有限元分析模型，考虑纤维束从制造温度降到室温过程对C/SiC界面性能的影响，采用内聚力模型研究了界面性能对界面断裂行为的影响。研究表明法向断裂能越小，界面越容易开裂；界面法向断裂能增加，则界面的抗断裂能力增强。.　　通过2.5D-C/SiC复合材料纵向和横向压缩试验，分析了该材料的损伤过程，研究了压缩破坏与材料微结构的相关性。基于层合板理论和渐进损伤法，对2.5D-C/SiC复合材料纵向和横向压缩强度进行了预测。.　　采用声发射特征参数分析法研究了3D-C/SiC复合材料的拉伸损伤特性，基于幅值、平均频率和相对能量相结合的方法可以较好低识别C/SiC复合材料的主要损伤模式，识别了材料中的纤维簇断裂损伤模式。卸载过程没有损伤发生，重新加载时的主要损伤模式为界面摩擦，信号的费利西蒂比随着应力水平的升高而降低。加载前期损伤较多时材料拉伸性能强度偏低；损伤集中在加载中后期发生，且纤维簇断裂发生时间分布均匀对应于材料的高强度性能。.　　结合材料的损伤耦合机制和损伤演化特征，在连续损伤力学框架下给出材料的损伤影响张量、各向异性损伤屈服函数、各向同性硬化函数以及运动硬化函数，建立编织C/SiC复合材料的各向异性损伤本构模型。该损伤本构模型不仅能较好地描述材料在单向拉应力状态、纯剪切应力状态下的力学行为，而且能够描述拉剪、压剪复杂应力状态下的力学行为，尤其是具有计算往复荷载的能力，使该模型能够用于循环加载条件下的力学行为分析。