颗粒增强钛基复合材料动态力学性能表征与优化设计

颗粒增强钛基复合材料是近空间飞行器框架结构、高性能涡轮风扇发动机等部件的关键材料，本项目以颗粒增强钛基复合材料为研究对象进行如下研究：一、对颗粒增强钛基复合材料及其基体材料进行室温和高温下的准静态和高应变率动态冲击试验，建立钛基复合材料在冲击载荷作用下计及应变率、温升率效应的的动态本构关系，深入研究颗粒增强钛基复合材料及其细观结构在冲击载荷作用下的动态损伤及其演化关系；二、基于细观力学，研究增强体的形状、尺寸、体积分数、分布以及增强体与基体界面的相互作用对颗粒增强钛基复合材料力学性能的影响；三、以均匀化理论为基础，开展颗粒增强钛基复合材料不同构型下的静、动态力学性能的多尺度分析，研究复合材料细观结构参量与宏观性能之间的定量关系，建立颗粒增强钛基复合材料优化设计的理论与方法，为颗粒增强复合材料的制备提供重要的理论支撑。

本项目以颗粒增强钛基复合材料为研究对象，采用实验、理论分析和数值模拟相结合的方法对其进行了如下研究：1.采用MTS810材料实验机和霍普金森杆对钛基复合材料及其基体的力学性能进行了实验研究，获得了钛基复合材料及其基体在不同应变率和温度条件下的力学性能；2.在已有实验结果基础上，确定了Johnson-Cook（J-C）模型的本构参数，建立了适用于该复合材料的J-C 模型，在考虑温度和应变率耦合作用的前提下对该模型进行了修正，给出了可较为准确描述该复合材料在高温条件下动力学行为的本构模型；3.编写了静力学和非线性动态瞬变二维弹塑性有限元程序，基于均匀化理论建立起复合材料微观结构和宏观力学行为之间的关系，并用已编写的程序对TiC颗粒增强钛基复合材料在拉伸载荷作用下的力学性能进行了有限元模拟与计算；4. 基于Eshelby等效夹杂理论和Mori-Tanaka平均场理论，推导得到了复合材料的柔度张量，给出了微裂纹对材料柔度张量的弱化作用以及微裂纹的损伤演化方程，最后建立了复合材料的一维准静态本构模型和一维动态本构模型，采用割线模量法讨论了不同温度下复合材料TP-650有界面脱粘时的弹塑性性能；5.采用Zener-Hollomon参数的双曲正弦函数来描述颗粒增强钛基复合材料TP-650高温变形时的流变应力行为。基于试验结果确定了流变应力解析表达式中各个参数的值，然后给出颗粒增强钛基复合材料TP-650的Z参数和相应的本构模型；6.在断裂力学理论基础上，建立了基于平面翼型裂纹扩展模型的二维脆性材料损伤本构关系，并将该本构关系退化到一维拉伸状态，假设微裂纹成核规律满足Weibull分布，建立了一维拉伸应力状态下能够反映TiC颗粒增强钛基复合材料的损伤演化规律的宏细观相结合的动态本构关系，模型计算结果与试验结果吻合较好。