159 / 2021-04-13 00:27:12

C/SiC复合材料高温应力氧化数值模拟研究

C/SiC复合材料,应力氧化,多物理场耦合,数值模拟,失效准则

高比强度/刚度的C/SiC复合材料是新一代高超声速飞行器热结构的候选材料，该材料在高温服役环境下主要失效模式是应力氧化失效。为了进一步了解该材料在高温服役工况下的性能，本研究以C/SiC复合材料为研究对象，结合数值仿真手段，建立多物理场耦合高温应力氧化模型，开展应力氧化寿命研究。本研究首先对高温应力氧化环境参数简化，将影响因素简化为化学反应速率常数、反应物浓度、摩尔浓度和扩散系数四个参数，并根据气体扩散规律，建立了扩散系数和外载荷的映射关系，并建立应力氧化失效准则。其次，将应力氧化总体失效准则引入C/SiC复合材料有限元模型，编写VUMAT用户子程序，采用单元失效的方式模拟复合材料渐进失效过程，实现应力氧化寿命模拟。最后，开展C/SiC复合材料应力氧化寿命数值模拟研究，并通过试验数据验证该模型的准确性，并分析了温度、外载荷对应力氧化寿命的影响。研究结果表明，在1300℃时，应力氧化寿命随外载荷增加呈降低趋势，大致呈指数函数趋势；在140MPa外载荷作用下，应力氧化寿命随温度增加出现先降低后增加的趋势，大致呈抛物线趋势。本研究通过C/SiC复合材料高温应力氧化数值模拟研究，建立多物理场耦合高温应力氧化数值模拟方法，得到了较为真实的C/SiC复合材料高温应力氧化数值仿真模型，为C/SiC复合材料结构高温服役性能评估提供技术基础。