考虑孔隙微观结构影响的一向碳/碳复合材料力学性能数值计算研究

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孔隙是碳/碳（C/C）复合材料制造过程中常见的缺陷，严重限制了其应用范围。为定量理解孔隙对力学强度的影响，本文基于有限元法建立了一向C/C复合材料的代表体积元模型。采用Hashin准则和指数衰减规则分别描述热解碳基体的失效起始和演化过程，利用内聚本构关系表征界面区域，并采用周期边界条件研究一向C/C复合材料的横向拉伸、压缩和剪切变形。预测结果与实验结果对比表明，所建模型能有效模拟一向C/C复合材料的横向力学行为。基于该模型，系统研究了孔隙率、孔隙位置、孔隙间距、孔隙聚集和孔隙形状等微观结构参数对力学强度的影响规律。结果表明：孔隙率显著降低复合材料强度，当孔隙率从4.59%增加到12.5%时，横向拉伸、压缩和剪切强度分别下降35.91%、37.52%和30.76%；孔隙位置、孔隙间距和孔隙聚集对一向C/C复合材料剪切强度影响较小；不规则孔隙易引起应力集中和基体失效，严重降低一向C/C复合材料的承载能力。

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