含孔复合材料实验相关 X页.docx

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2.1〜2.2g/cn?,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uni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,载荷从零开始育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一应变曲线为非线性过程，在低应力吋就出现损伤压 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 裂纹闭合引起材料宋观模量增加，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(UllimalcTension Slrenglh, UTS)为 233・2Mpa2图2开孔试样拉压应力应变曲线Fig. 2 Stress-st rain curve of specimen with open hole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 料的性能有一定穆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 降低表丨开孔试样与光滑试样的拉伸■压缩和疲劳性能对比fable I Comparison of tension, compression and fatigue performances of opcifiholc specimen and smooth specimenSpccimc nRw/MPa§/%IWMPa§/% f^/ MPaSmoah specimen264 50 674405 60 3750 88UTS, 232 8Openhole specimen233 20 308356 80 1690 88UTS. 205 2(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0.5min/min,载荷从零开始直至试验件断裂;循坏加卸载 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，育至试验件断裂。

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 + 所示用橡皮筋固定在试验件上，其测量应变的长度为50mmo由引中计测最到的轴 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 结束品处理数据得到单调拉伸和循环加卸载过程应力一丿应变山1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图2-7试验系统示意图二维编织C SIC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［11，因此对于复合材料结构件的研究显得更为重要木章主要 研究复合材料开孔构件常温下的拉伸、压缩和疲劳性能6图5-1单向轴向拉伸的有限尺寸开孔平板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K 二咂0)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】：(5-1)(5-2)式(5・1)和(5・2)中，6为板边上的应力(按板净截面面积计算的)，r为开孔的半径，”林和％口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，bl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)叫⑴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do的点 的应力，巧(恥％)达到不开孔板的强度久时，带孔板发生破坏：(5-3)PSC：b,R + do,O) = cro（2）平均应力准则平均应力准则认为，从孔开始，当沿着带孔板受载方向某一段长度上的平均应 力莎莎，达到不开孔板的强度久时，带孔板发生破坏：I ZASC.— f 60，°妙二久 （5-4）ao H由于二维编织C-SiC复合材料的不均匀性和各向异性特征，因此，本文采用点 应力来准则来研究其带孔构件的静拉伸和疲劳性能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【III线如图5 一 2所示对 比图3 — 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Illi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.SMPQ,以后在构件断裂Z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」巧初尹和0.308%,由于孔周用应力集中的影响，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--------2005000502 11wd 乏、ssal-s ①=80010.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35Tensile strain/%m s.?曲.刑的带:fi沟絆拉彳由应力■应夺曲纬表5-1二维编织C/SiC复合材料与带孔构件的拉伸强度鳥、^伸性验語7!^平均拉伸强度(MPa)平均断裂应变(%)复合材料试验件264.50.674复合材料带孔构件204.1150.308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(5-3)和表5-1 a <可知：x (R, 0)=264.5mpa,由式(5J)可以计算开孔半径为R的带孔板的平均应力集中系Kt,即:6(&0)264,5204.115=1.296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寿为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伟［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 血的尺寸取作相同，按照上血公式计算的结果差别较小211210209208207206-■205-■204-■203 -15.2 15.4 15.6 15.8 16.0 16.2 16.4孔径A/构牛宽度W/%图5・5构件拉伸强度随A/w的变化曲线在木文中研究了两种因索对展合板强度一是孔的頁径二是孔的形状因此木文, 两种类型的试件 对于圆形孔试件孔的頁为Omm （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5mnVmin的速度施加载荷，载荷和位移都用试验机门带的力 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木章针对含孔层合板，预测其拉伸剩余强度，并进行试验验证；木章重点对 其疲劳载荷作用下损伤起始和累积扩展，以及此示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，而疲劳载荷小最大丿2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衣4.1 T300/BMP-316含孔层介板儿何参数长度11U11宽度nunlinn孔直径nun层数铺层参数240252.5520240402.>s20[45/-45/0/0/-45/90/0/90/45/0]s240452.5920木文计算表明，对于表4」中的三种孔径层合板，在静拉伸载荷作用下，其 逐渐破坏规律基木一致，为节省篇幅，木节主要以孔径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41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」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H由度的约束，另一端施加面载荷，如图41所示根据如图3」稈序流程预测含孔板的静强度时，初始施加均布静载荷lOMPa, 毎次施加均布载荷增量为lOMPa；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图4.1 含孔板静强度分析冇限元模型有限元模型及边界条件。