基于相场法的连续纤维增韧陶瓷基复合材料损伤演化模拟方法及数值实现

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工程材料失效的形式多种多样,其中最为严重的是断裂失效,往往造成巨大的经济损失及人员伤亡。以往人们多采用实验和理论方法研究材料的损伤断裂特性,随着计算机科学的不断发展及软硬件性能的不断提升,数值算法及软件技术快速发展,结构/材料损伤断裂力学与数值模拟方法相结合,能有效仿真材料断裂失效行为及机理的同时,节约大量的时间和成本。纤维增韧陶瓷基复合材料因其抗氧化、耐高温、高比强、高比模、耐化学腐蚀、高抗磨等优良特性,被广泛应用于航空航天、核电等领域极端服役环境下。由于此类复合材料制备工艺极为复杂,且制备过程涉及流体、力学、热学、化学等多场耦合作用,导致其内部难以避免地存在孔隙、微裂纹等自然缺陷。为了准确预测其服役性能和保证构件在极端环境下地可靠性,亟需建立纤维增韧陶瓷基复合材料微结构内损伤模拟算法,并深入探究不同自然缺陷对材料损伤以及服役性能地影响机制。当前,基于相场法的构件/材料损伤及失效研究多集中于各项同性均质材料,而纤维增韧陶瓷基复合材料为典型的各向异性材料,且损伤演化多起始于纤维-基体交界面及自然缺陷位置,存在裂纹偏转、桥接、纤维拔出等复杂过程。因此,本文基于相场法和连续纤维增韧陶瓷基复合材料(CFRCMC)微结构智能建模方法及纤维丝/束材料各向异性特性,建立兼顾自然缺陷影响的CFRCMC损伤演化模拟方法,并讨论其内在机理。本文的研究内容主要包括:(1)相场法理论推导及算法开发:从裂纹弥散化原理出发,推导了CFRCMC损伤场有限元控制方程及位移场控制方程,并结合文献特征值分解技术提出了一种新的应变张量算子投影算法,通过MATLAB编写数值代码并验证了其正确性。(2)CFRCMC微结构数字化智能建模:结合CFRCMC模型特点和局部网格智能细化方法建立了二维编织布增韧陶瓷基复合材料微观组成的参数化建模策略,并结合陶瓷基复合材料宏观、增韧纤维束材料各向异性性能及相场模拟方法,实现了CFRCMC微结构内损伤演化过程的有效模拟,并获得了材料失效过程性能演化结果。(3)总结归纳了CFRCMC内自然孔隙和微裂纹等缺陷分布及尺寸特点,并从孔隙形状和位置、微裂纹形状等角度探究了缺陷对材料损伤演化的影响。并在此基础上,进一步分析了随机多孔隙对陶瓷基复合材料损伤及裂纹扩展路径影响规律。(4)将二维CFRCMC微结构简化模型延伸至三维CFRCMC模型,采用MATLAB编写了相场模拟代码。通过简化算例模型验证了结果的有效性,同时结合CFRCMC材料特性及内部缺陷统计信息,分析了CFRCMC三维材料内损伤演化规律。
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