考虑温度的CMCs本构模型及验证

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陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composite:CMC)是一种在高温环境下性能优良的复合材料。国内外学者对CMC的本构行为进行了诸多研究,但是大都集中在常温、准静态和单轴载荷情况下的本构响应,由于CMCs通常在高温环境下使用,温度对CMCs材料力学行为的影响时不能忽略的,因此如何合理的建立考虑温度影响的CMCs本构模型,并将其应用与结构件的受力分析是必须首先解决的问题。本文首先对CMCs的本构响应进行了实验研究,具体包括拉伸实验(室温和高温700℃)、压缩和剪切实验。并结合试件的断口形貌分析和细观显微结构的破坏分析揭示了材料在各自实验条件下的失效形式和失效机理。实验结果表明不管是在常温还是高温环境下,CMCs的拉伸和剪切响应都明显的表现出非线性的特性,随着温度的升高,材料的拉伸模量和破坏强度以及最终的失效应变都有明显的降低,造成这种现象的原因主要是在高温环境下由于基体裂纹的出现,导致纤维被氧化。常温压缩的试验曲线在较低应力水平下表现出线性,在高应力水平下具有非线性特性,但总体上压缩强度明显高于拉伸强度。根据CMCs的应力-应变曲线表现出双线性的特点,本文在连续损伤力学的基础上提出了受损材料的Helmholtz自由能函数用以推导材料的本构方程和材料在受损后的耗散势函数用来控制材料的损伤演变。通过编写本文提出的本构模型的MATLAB程序,验证了提出的损伤本构模型在模拟材料本构行为方面的正确性和有效性。采用ANSYS二次开发平台UPFs对提出的本构模型进行编译,模拟了CMCs在常温和高温环境下的拉伸过程,模拟得到的应力-应变曲线和实验应力-应变曲线基本吻合,最后通过典型算例的对比验证,证明了本文提出的考虑温度的损伤本构模型能够有效的模拟材料在温度载荷下的力学响应。
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