CMCs蠕变力学行为与细观力学模拟

摘要

目前，陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composites，简称CMCs）因其质量轻、耐高温、高强度的特点，被广泛应用于航空发动机的热端部件上，其中SiC/SiC复合材料还具有优越的抗氧化性能。CMCs在热端部件的使用过程中，长期承受高温与高应力而产生蠕变现象，这将造成两种影响：（1）材料由于蠕变产生变形，可能与其他部件产生触碰甚至挤压。（2）长期的蠕变使材料性能降低甚至失效。所以研究CMCs的蠕变性能、并实现CMCs的蠕变曲线预测，为今后CMCs的实际运用提供了基础。
　　本文着重研究SiC/SiC小复合材料的蠕变行为。小复合材料尺寸较小，且材料脆性大，本文设计制作了专门针对小复合材料蠕变试验的夹具。开展了有氧和无氧条件下的蠕变试验，试验温度为900℃和1000℃，载荷108MPa-232MPa，对试验之后的材料断口进行电镜扫描（Scanning Electron Microscope，简称SEM）分析。试验结果发现，无氧条件下的小复合材料抗蠕变性能更好，应变更小且寿命更长。
　　建立了纤维强度概率分布模型，得出小复合材料中单丝的断裂强度沿纤维轴向的分布。建立小复合材料细观力学模型，模拟其在不同氧化程度下的纤维应力分布，并利用强度概率模型对材料失效情况作出判断。该方法从细观的角度解释了有氧条件下小复合材料的失效机理。
　　采用Curtin-McLean模型拟合试验过程中的蠕变曲线，使用ANSYS二次开发功能，将小复合材料的蠕变模式代入二维编织几何模型，预测二维编织材料的蠕变情况。该方法可以有效的预测复杂编织复合材料的蠕变情况。

目录

声明

注释表

第一章 绪 论

1.1 选题背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究工作

第二章 小复合材料的蠕变试验

2.1 引言

2.2 小复合材料有氧条件下的蠕变试验

2.3 小复合材料无氧条件下的蠕变试验

2.4 本章小结

第三章 SiC/SiC小复合材料有氧蠕变的破坏模拟

3.1 引言

3.2 小陶瓷基复合材料的实际几何模型

3.3小复合材料实际几何模型的计算

3.4 单丝纤维强度概率模型

3.5 小复合材料简化模型

3.6 有氧条件下小复合材料的断裂模拟

3.5 本章小结

第四章 编织陶瓷基复合材料蠕变预测

4.1 引言

4.2小复合材料的蠕变曲线拟合

4.3 ANSYS用户自定义子程序usercreep

4.4 usecreep子程序正确性的验证

4.5 编织陶瓷基复合材料的蠕变模拟

4.6 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 本文的主要工作和总结

5.2今后的研究展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文