SiCf/Ti复合材料薄壁管压缩载荷下的多尺度力学性能与失效行为分析

摘要整理

建立了高精度并行多尺度模型，用于研究SiCf/Ti复合材料薄壁管的力学性能和失效行为。基于Hashin准则开发了损伤模型，并通过用户自定义材料子程序(VUMAT)实现。系统研究了界面和包套建模方法对力学性能的影响，以及不同纤维分布对失效行为的影响。SiCf/Ti复合材料薄壁管因其复杂的结构和工艺特性，呈现多种断裂模式，严重限制了其应用。本研究建立了通用多尺度分析模型，评估单轴压缩下SiCf/Ti复合材料薄壁管的力学性能和失效行为，分析了两个尺度的损伤演化和应力分布。宏观层面采用三维Hashin正交异性损伤模型，通过VUMAT实现损伤起始、刚度退化和本构关系；介观层面基于随机序列添加(RSA)算法和代表体积元(RVE)建立了三种不同纤维分布的介观模型，采用内聚区模型(CZM)表征纤维/基体界面力学行为。通过将宏观模型的节点位移作为边界条件施加于介观模型，形成强耦合的多尺度关联。重点考虑了界面建模方法对屈曲行为和力学性能的影响，综合分析了包套屈服强度、包套厚度和纤维分布之间的相互作用对损伤演化和应力分布的影响。结果表明，该多尺度模型能准确捕捉SiCf/Ti复合材料薄壁管的裂纹萌生、扩展和失效过程。随着包套强度增加或外层包套厚度增加，复合材料薄壁管的整体强度显著提高。值得注意的是，复合材料芯体沿轴向的应力变化趋势与内层包套相似，而外层包套呈现相反的应力趋势。该多尺度方法为SiCf/Ti复合材料薄壁管的设计提供了新的思路。

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