【摘 要】
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陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composite,以下简称CMC）具有强度高、密度低、耐高温、耐磨性好、抗氧化能力强等优点,在过去几十年中已成为航空发动机高温部件最受欢迎的材料之一。但是CMCs由于塑性变形能力差导致其脆性大,在受载情况下基体内容易出现裂纹。尤其是基体内本身存在着的大量缺陷,如裂纹、孔洞等,基体裂纹的进一步扩展会严重影响其使用性能。因此,探索基体裂纹对CMCs损伤演
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陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composite,以下简称CMC）具有强度高、密度低、耐高温、耐磨性好、抗氧化能力强等优点,在过去几十年中已成为航空发动机高温部件最受欢迎的材料之一。但是CMCs由于塑性变形能力差导致其脆性大,在受载情况下基体内容易出现裂纹。尤其是基体内本身存在着的大量缺陷,如裂纹、孔洞等,基体裂纹的进一步扩展会严重影响其使用性能。因此,探索基体裂纹对CMCs损伤演化过程的影响,对于改进CMCs的设计,加速CMCs在航空领域的应用具有重要意义。本文首先将CMCs基体裂纹抽象为唇形裂纹,并建立唇形裂纹数学模型。采用复变函数和保角映射方法推导了任意拉伸载荷下唇形裂纹的复势函数;根据断裂力学理论,得到了唇形裂纹平面的应力场分布和位移场分布;分别给出了唇形裂纹尖端Ⅰ型应力强度因子和能量释放率表达式以及Ⅰ-Ⅱ复合型应力强度因子和能量释放率表达式,并建立了唇形裂纹尖端Ⅰ型失效准则和Ⅰ-Ⅱ复合型失效准则。其次,开展单向纤维增强C/SiC陶瓷基复合材料的偏轴拉伸试验,得到了偏轴拉伸应力-应变曲线和试件表面的全场应变云图,得到了Ⅰ-Ⅱ复合型唇形基体裂纹的扩展规律。最后,建立了含随机分布唇形基体裂纹的CMCs数值计算模型,分别模拟了拉伸载荷下I型唇形基体裂纹和Ⅰ-Ⅱ复合型唇形裂纹的CMCs失效过程,并研究了基体裂纹扩展对CMCs损伤演化的影响规律,同时分析唇形基体裂纹尺寸、分布以及界面粘结强度等因素对结果的影响。仿真结果与试验结果对比,具有较好的一致性。
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