陶瓷基复合材料结构非线性动力学响应计算方法研究

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陶瓷基复合材料(ceramic matrix composites,CMCs)具有耐高温、高比强度、耐氧化、耐蠕变等一系列独特的材料属性,这使得CMCs成为了替代高温合金应用于高温环境的理想材料,目前航空发动机的热端部件中已有CMCs的工程应用。振动载荷是航空发动机结构承受的常见载荷,也是导致结构失效的重要原因。因此要将CMCs应用于航空发动机,需要对其动力学特性进行校核。然而,由于陶瓷基体具有相当大的脆性,在应变不大的情况下,CMCs的应力应变关系即会发生变模量、迟滞等复杂的非线性行为,这给CMC结构的振动分析带来了很大挑战。本文首先采用两尺度方法建立了单向CMC结构动力学仿真方法。进行了单向CMCs的加卸载试验,并基于剪滞模型(shear-lag model),对单向CMCs的加卸载响应进行模拟。基于有限元法对CMC梁进行离散,采用显式动力学方法对单向CMC梁在简谐激励下的动力学响应进行了求解。进行了单向CMC梁的振动试验,分析了试验结果,并将试验结果与仿真结果进行了对比。建立了平纹编织CMC梁的非线性振动计算方法。建立了平纹编织CMCs的唯象加卸载本构模型,模拟了CMCs加卸载下的应力应变响应。基于该模型,采用显式动力学方法对平纹编织CMC梁的动力学响应进行了求解。进行了平纹编织CMC梁的振动试验,分析了试验结果,并对仿真结果进行了验证。最后,建立了考虑流体作用的CMC结构响应计算方法。基于弱耦合方法,对CMC平板叶片流固耦合振动响应进行了仿真,其中流体域采用商业软件Fluent进行求解,固体域采用前述非线性动力学仿真方法计算。
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