含孔复合材料实验相关.doc

开孔对平纹编织C/SiC 陶瓷基复合材料力学行为的影响 1. 试样与实验过程实验所用平纹编织C/Si复合材料试样有西北工业大学超高温复合材料实验室采用化学气相渗透（CVI）工艺制造，其主要组分为T2300碳纤维和Si基体。材料密度大约为2.12.2g/cm3，孔隙体积分数约15%，基体体积分数40%。平纹编织C/Si复合材料板加工成型后，用金刚石线切割机将其切割成狗骨状试样，在其中心钻出半径为3mm的通孔，试样如图所示（mm）（图画好） 开孔试样的拉伸,压缩和疲劳实验均在MTS810液压伺服疲劳试验机上进行。拉伸和压缩实验采用位移控制加载，加载速率为0.5mm/min，载荷从零开始直至试样断裂。通过拉伸实验，确定疲劳实验峰值应力取值范围，单向等幅疲劳实验采用位移控制加载，加载速率为0.6mm/min，应力比和加载频率分别取0.1和10Hz。实验中利用MTS Model632引申全程记录应力应变曲线。2. 实验结果与分析 开孔试样的拉压应力应变曲线为非线性过程，在低应力时就出现损伤。压缩过程开始阶段呈线弹性，当应力增加到裂纹闭合点（Crack Clo2 sure Point）后，由于基体裂纹闭合引起材料宏观模量增加，开始出现非线性过程，直至试样断裂破坏。 根据拉伸实验结果确定开孔试样的极限拉伸强度（Ultimate Tension Strength，UTS）为233.2Mpa。表1为开孔试样的，拉伸，压缩和疲劳性能，可看出，开孔使平纹编织C/Si陶瓷基复合材料的性能有一定程度降低。拉伸强度和破坏应变分别降低了12.2%和54.9%，压缩强度和破坏应变分别降低了12.2%和54.9%，拉破坏应变降低的程度比较大，说明开孔使试样的韧性降低。(1)拉伸试验拉伸试验分为单调拉伸试验和循环加卸载试验两个部分，单调拉伸试验采用位移控制加载，加载速率为0.5mm/min，载荷从零开始直至试验件断裂;循环加卸载试验采用载荷控制加载，加载速率为710N/min，载荷从零开始，加载到大约710N进行卸载，卸载到接近零时再次加载到比原来载荷水平高710N左右，然后再卸载到接近零，如此重复，直至试验件断裂。试验时，首先将试件上端夹持在固定的夹具中，然后调整下方夹具位置，将下端夹紧，在试验机控制PC中输入保护参数即可进行试验，试验过程中利用 MTSModel6犯引伸计全程采集轴向应变，如图2-5中所示用橡皮筋固定在试验件上，其测量应变的长度为 50mm。由引申计测量到的轴向应变通过数据采集卡接入数据采集PC，整个试验系统示意图如图2-7所示。试验结束后处理数据得到单调拉伸和循环加卸载过程应力一应变曲线以及描述材料损伤的量(卸载模量、残余应变、迟滞环宽度)随卸载应力的变化关系曲线。最后采用光学显微镜 (DZ3ZOOMMicroscope)观察试验件断口，分析其损伤破坏机理。二维编织CSIC复合材料开孔构件的力学性能 航空、航天器上使用的复合材料，大多数都用在复杂物理、化学或高温环境下的承力结构或部件上ll，因此对于复合材料结构件的研究显得更为重要。本章主要研究复合材料开孔构件常温下的拉伸、压缩和疲劳性能。 大量的试验结果表明复合材料开孔试验件拉伸、压缩强度以及疲劳性能主要取决于孔的尺寸和试件宽度之比。 开孔试件和光滑试件力学性能的差别是由于孔周围应力集中引起的，对于如图5一1所示的承受轴向载荷或疲劳载荷的开孔复合材料平板，应力集中系数长和疲劳缺口系数Kf分别可以表示为2:式(5-l)和(5-2)中，为板边上的应力(按板净截面面积计算的)，R为开孔的半径，分别为光滑试验件和缺口(或开孔)试验件的疲劳极限强度。一直以来，人们都在试图建立复合材料开孔试验件的强度准则，但由于复合材料开孔试验件损伤和破坏机理的复杂性，目前大多数强度模型都是经验或半经验形式的，whitney和Nuismer提出了点应力准则(Psc)和平均应力准则(ASC）13。(l)点应力准则点应力准则认为，对于图5-1所示的带孔板，当沿y轴距离开孔边上为d0的点的应力，达到不开孔板的强度时，带孔板发生破坏:2二维编织C一Sic复合材料带孔试件的轴向拉一压性能1拉伸行为典型的二维编织C/SIC复合材料带孔构件拉伸应力一应变曲线如图5一2所示。对比图3一2可以发现，二维编织C/SIC复合材料带孔构件的拉伸应力一应变曲线和二维编织C/siC复合材料的拉伸应力一应变曲线较为相似，仍具有明显的非线性特征，也存在低应力状态下(约25MPa以前)的直线段，但其在数值上稍低于二维编织C/SIC复合材料(37.SMPa)，以后在构件断裂之前，随着拉伸应力的增加，其切线斜率逐步减小，并不存在基体裂纹饱和点。二维编织OsiC复合材料带孔构件拉伸强度和断裂应变分别为204.1巧初尹。和0.308%，由于孔周围应力集中的影响，其拉伸强度和断裂应变要比二维编织C/SIC复合材料本身低得多，二者的对比如表5一1所示按照经验法中的点应力准则，当带孔构件从孔边断裂时，由式(5一3)和表5一1可知:(R，0)=264.5mpa，由式(5-1)可以计算开孔半径为R的带孔板的平均应力集中系Kt，即:可见，二维编织C/SIC复合材料的带孔构件的开孔引起的拉伸强度差为29.6%具有较低的缺口敏感性。这可能是因为拉伸过程中复合材料通过基体开裂、界面脱粘和滑动等方式使高应力区重新分布，开孔边的应力转移到了周围区域，应力趋于均匀，降低了开孔对强度的影响。在计算开孔应力集中系数时，由于光滑试验件和开孔构件的净截面的尺寸不一致，会对计算结果产生影响。但有关研究表明，若将光滑试验件和开孔构件的净截面的尺寸取作相同，按照上面公式计算的结果差别较小。 在本文中 研究了两种因素对层合板强度 一是孔的直径 二是孔的形状 因此本文 ，两种类型的试件 对于圆形孔试件 孔的直为 0mm（完好试件） 和5mm，10mm，15mm根据GB/T1447-2005,件的尺寸取250mm*25mm*1.68mm采用In-stron5569试验机，以5mm/min 的速度施加载荷，载荷和位移都用试验机自带的力传感器和位移测量 含孔层合板剩余强度的预测与试验验证 引言本章针对含孔层合板，预测其拉伸剩余强度，并进行试验验证；本章重点对其疲劳载荷作用下损伤起始和累积扩展，以及此后在静载作用下的损伤起始、累积扩展及最终破坏进行模拟。含孔层合板静强度的预测与试验验证含孔层合板疲劳剩余强度与疲劳载荷最大应力密切相关，而疲劳载荷中最大应力大小依赖于结构的静强度，因此结构静强度是疲劳性能分析中的重要参数。以下针对文献1中的三种孔径层合板进行了预测和分析。层合板的几何参数见表 4.1，单层板的材料性能见附表 1。本文计算表明，对于表 4.1 中的三种孔径层合板，在静拉伸载荷作用下，其逐渐破坏规律基本一致，为节省篇幅，本节主要以孔径 D=9mm 为例，对层合板的破坏规律进行分析。有限元模型及边界条件（1）建立有限元模型含孔板的几何尺寸及铺层参数如上表 4.1 所示。单元类型为 solid46，其有限元模型共包含 17920 个单元，有限元网格划分如图 4.1 所示。（2）边界条件在有限元模型中，根据含孔层合板的实际边界条件，对模型沿长度方向一端所有节点进行所有自由度的约束，另一端施加面载荷，如图 4.1 所示。根据如图3.1程序流程预测含孔板的静强度时，初始施加均布静载荷10MPa，每次施加均布载荷增量为 10MPa；模拟过程中，以含孔层合板所有 0铺层内纤维损伤沿宽度方向扩展到板的边界处为其结构最终破坏标准 有限元模型及边界条件（1）建立有限元模型对于疲劳载荷作用下含孔层合板，使用静载累积损伤建模方法对其进行三维有限元建模，有限元模型如图 4.1 所示。模型中各材料参数均与静载逐渐损伤扩展分析中相同。疲劳三维逐渐损伤分析方法中重要参数静强度，使用静载逐渐损伤分析的强度预测方法计算得到，其整个计算过程见图 3.1。（2）边界条件在有限元模型中，根据含孔层合板的实际边界条件，对模型的一端所有节点进行所有自由度的约束，另一端施加面载荷，如图 4.1 所示。在疲劳载荷阶段，为提高计算效率，循环增量的选取按照以下原则：初始施加循环 n=10，疲劳载荷为 104次时每次施加循环增量为 5102；疲劳载荷为 105次时循环增量为 5103；疲劳载荷为 106次循环时循环增量为 5104。剩余强度中的静