机械工程学报 ›› 2025, Vol. 61 ›› Issue (12): 60-72.doi: 10.3901/JME.2025.12.060
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李伟琪1, 齐乐华1, 晁许江1, 葛健1, 田文龙1, 李贺军2
LI Weiqi1, QI Lehua1, CHAO Xujiang1, GE Jian1, TIAN Wenlong1, LI Hejun2
摘要: 碳/碳(C/C)复合材料是航空、航天和核能等领域不可或缺的战略性材料。为满足装配和功能需求,C/C复合材料不可避免地会存在各种形式的缺口,在服役过程中,其缺口边缘处极易产生不同类型损伤,进而影响材料的失效载荷,因此设计C/C复合材料构件时必须考虑缺口参数对其力学性能的影响。为提升含缺口构件的设计水平,采用试验测试和数值计算相结合的C/C复合材料损伤行为研究方法,通过不同缺口尺寸试样的拉伸试验获得材料承载能力和失效形貌,根据各类损伤的特征,分别采用Hashin、Puck和二次应力准则定义碳纤维、热解碳基体和层间界面损伤的起始,并通过基于能量的损伤演化方法描述相应的刚度退化行为。数值预测的极限载荷和损伤分布与试验结果吻合,证明了所建有限元模型的有效性。研究表明,缺口尺寸和位置均对C/C复合材料的承载能力有较大影响,当缺口尺寸从1.0 mm增大至2.2 mm时,极限载荷下降38.5%;而当缺口间距离从0 mm增大至12.8 mm时,纤维损伤的起始位移减小16.1%,极限载荷下降17%。此外,研究还揭示了缺口C/C复合材料的损伤演化规律:在加载过程中,层间界面损伤、基体损伤和纤维损伤依次出现并不断演化直至材料完全失效。研究成果有望为含缺口C/C复合材料构件设计提供参考。
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