碳化硅增强钛合金基复合材料热残余应力的有限元分析.docx
碳化硅增强钛合金基复合材料热残余应力的有限元分析 信息和单元信息.假设SiC在复合材料中的排列方式为正方形16，其代表体元见图1.单胞模型尺寸与文献15的参数相同：纤维直径取0.12 mm，纤维的体分比为20%，正方形边长取0.24 mm.此外，在有限元分析中，热解碳层的厚度d分别为4，8，12，16，20，24和28 m. 在图2和3中，由于模型对称，取1/4模型进行计算，模型底边(即y=0)上节点不允许在y方向发生移动，顶面上节点(y=0.120 mm)在y方向上平动，在y方向有相同的位移.同样，模型左边(即x=0)上节点不允许在x方向发生移动，右端面上节点(x=0.120 mm)在x方向上平动，在x方向有相同位移.用CPS4R单元对二维模型进行离散，得到有限元模型，复合材料温度由1 000 冷却到20 . 2 复合材料中热残余应力分析 在数值计算中，当热解碳层厚度为0时，计算得到x与y方向平均应力为x=y=456.9 MPa，与文献15中试验解的误差分别为1.7%和2.9%，表明结果吻合较好. 不同热解碳层厚度的SiC/Ti-15-3复合材料von Mises等效应力和径向应力与半径关系见图4，可知，未涂碳(热解碳层厚度d=0)的SiC/Ti-15-3复合材料在冷却过程中等效应力最大，且最大热残余应力出现在界面处，即径向距离为60 mm的位置.径向峰值应力出现在界面处和110120 m距离段，前者由热残余应力导致，后者可能由应力集中所致.随着界面层加厚，热残余应力峰值向外部移动，且幅值呈现缓慢下降趋势. SiC纤维与热解碳层界面剪切应力分布见图5，可知，热解碳层的存在对纤维和热解碳层界面处剪切应力的分布有较大影响.当添加热解碳层后，界面处的剪切应力分布趋于匀称，同时，热解碳层厚度的增大对界面处剪切应力的分布影响较小. 热解碳层与基体界面剪切应力分布见图6，可知，伴随热解碳层厚度的增加，最大剪切应力峰值渐渐减小，且峰值点渐渐由路径2的中部向端部移动. 由图7可知，当界面层厚度介于020 m时，最大von Mises等效应力随着热解碳层厚度的增加而不断减小；当界面层厚度达到20 m时，von Mises等效应力最小；当界面层厚度超过20 m后，von Mises等效应力起先呈现增大趋势.同时，当界面层厚度介于010 m时，最大径向应力随着热解碳层厚度的增加而不断减小；当界面层厚度达到10 m时，径向应力最小；当界面层厚度超过10 m后，径向应力起先呈现增大趋势.最大剪切应力随着界面层厚度的增加始终呈现线性增加的趋势. 3 结 论 (1)通过模拟发觉，在SiC表面涂热解碳层能够降低SiC/Ti-15-3复合材料中的热残余应力，与其他试验17结果一样. (2)SiC表面的热解碳层厚度对复合材料中的热残余应力有较大影响，当热解碳层厚度为10 m时，最大径向应力最小；同时，当热解碳层厚度为20 m时，最大von Mises等效应力最小；随着热解碳层厚度的增加，热解碳层与基体界面剪切应力沿路径2的峰值呈现减小且向一端移动的分布趋势. (3)在SiC/Ti-15-3复合材料中，随着热解碳层厚度的增加，最大von Mises等效应力和径向应力呈现先减小后增大的趋势. 参考文献： 1 SHI Nanlin, FENG Jiwei, GUO Yanfen, et al. Effects of nitridation on properties of SiC fiber and interface of Ti matrix compositeJ. J Mat Sci & Tech, 2002, 18(6): 563-565. 2 PARK K, VASILOS T, SUNG C. Interfacial characterization of a SiC fiber-reinforced AlN compositeJ. Scripta Metallurgica et Materialia, 11015, 32(1): 121-126. 3 KERANS R J, PARTHASARATHY T A. Theoretical analysis of the fiber pullout and pushout testsJ. J Am Ceramic Soc, 11011, 74(7): 1585-1596. 4 TAYA M, HAYASHI S, KOBAYASHI A S, et al. Toughening of a particulate-reinforced ceramic-matrix composite by thermal residual stressJ. J Am Ceramic Soc, 11010, 73(5): 1382-1391. 5 李连进, 武斌斌, 温殿英. 基于有限元分析的石油套管淬火残余应力J. 计算机协助工程, 2022, 15(S1): 326-329. LI Lianjin, WU Binbin, WEN Dianying. Quenched residual stress of oil casing based on finite element analysisJ. Comput Aided Eng, 2022, 15(S1): 326-329. 6 CARDAMONE L, VALENTIN A, EBERTH J F, et al. Origin of axial prestretch and residual stress in arteriesJ. Biomech Model Mechanobiol, 2022, 8(6): 431- 446. 7 闫俊波. 残余应力对T形截面柱极限承载力影响的探讨D. 兰州: 兰州理工高校, 2022. 8 KIHARA T. Measurement of applied stresses and residual stresses on a residual stress model by applying two different loadsJ. Exp Mech, 2022, 51(8): 1275-1283. 9 LAMMI C J, LADOS D A. Numerical predictions and experimental measurements of residual stresses in fatigue crack growth specimensJ. Eng Fracture Mech, 2022, 78(6): 1114-1124. 10 WITHERS P J, BHADESHIA H. Overview-residual stress part 1-measurement techniquesJ. Mat Sci & Tech, 2001, 17(4): 355-365. 11 ZHAO L G, WARRIOR N A, LONG A C. A thermo-viscoelastic analysis of process-induced residual stress in fibre-reinforced polymer-matrix compositesJ. Mat Sci & Eng, 2022(452- 453): 483-4101. 12 HONG Sung-Kil, TEZUKA Hiroyasu, KAMIO Akihiko. Analysis of thermal residual stresses in unidirectionally aligned SiCw/Al-alloy matrix composites by X-ray diffractionJ. Mat Trans, 11016, 37(3): 230-238. 13 杨序纲, 吴琪林. 拉曼光谱的分析和应用M. 北京: 国防工业出版社, 2022: 132-141. 14 LU Desheng, OUYANG Jiahu, ZHOU Yu, et al. Numerical simulation of ablation behavior and thermal stress field of fused silica compositeJ. J Comput & Theor Nanoscience, 2022, 5(8): 1732-1734. 15 黄建永, 邢永明, 赵春旺. 用显微云纹干涉法探讨SiC/Ti-15-3界面热残余应力场J. 试验力学, 2022, 21(2): 177-182. HUANG Jianyong, XING Yongming, ZHAO Chunwang. A study on interfacial thermal residual stress in SiC/Ti-15-3 composite using micro-Moiré interferometryJ. J Exp Mech, 2022, 21(2):177-182. 16 杨庆生. 复合材料细观结构力学与设计M. 北京: 中国铁道出版社, 2000: 19-25. 17 李维学, 张胡军, 戴剑锋, 等. 碳纳米管增加镁基复合材料热残余应力的有限元分析J. 复合材料学报, 2022, 28(1): 166-173. LI Weixue, ZHANG Hujun, DAI Jianfeng, et al. Finite element analysis of thermal residual stresses in magnesium matrix composite reinforced by carbon nanotubesJ. Acta Materiae Compositae Sinica, 2022, 28(1): 166-173. (编辑 陈锋杰) 第6页 共6页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页
