C_SiC陶瓷基复合材料界面力学性能的离散元模拟

Ｃ／ＳｉＣ陶瓷基复合材料界面力学性能的离散元模拟＊

李林涛，谭援强，姜胜强

（湘潭大学机械工程学院，湘潭４１１１０５

）摘要 采用离散元法（ＤＥＭ），用ＢＰＭ（Ｂｏｎｄｅｄ－ｐ

ａｒｔｉｃｌｅ　ｍｏｄｅｌ）模型分别建立并校准ＳｉＣ陶瓷基体和碳纤维离散元模型，采用位移软化接触模型表征层间和纤维／基体之间的界面元损伤双线性本构关系。通过ＤＣＢ试验（Ｄｏｕｂ－ｌｅ　ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ　ｂｅａｍ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｔｅｓｔ）和微滴脱黏试验分别对其界面强度进行收敛试验，动态地观察了塑性变形、裂纹扩展及界面脱黏过程。结果表明，位移软化接触模型可以很好地表征界面损伤过程，采用离散元法可以很好地动态模拟较复杂复合材料的损坏过程。

关键词 Ｃ／ＳｉＣ复合材料　界面性能　离散元法（ＤＥＭ）　位移软化接触模型　模拟

中图分类号：ＴＢ３３２ 文献标识码：Ａ

Ｓｔｕｄｙ　

ｏｎ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　Ｃ／ＳｉＣ　Ｃｅｒａｍｉｃ　Ｍａｔｒｉｘ　ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＵｓｉｎｇ　

Ｄｉｓｃｒｅｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　ＭｅｔｈｏｄＬＩ　Ｌｉｎｔａｏ，ＴＡＮ　Ｙｕａｎｑｉａｎｇ

，ＪＩＡＮＧ　Ｓｈｅｎｇｑｉａｎｇ（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉａｎｇｔａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉａｎｇ

ｔａｎ　４１１１０５）Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ａｉｄ　ｏｆ　ＢＰＭ（Ｂｏｎｄｅｄ－ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｍｏｄｅｌ），ｔｈｅ　ｄｉｓｃｒｅｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌｓ　ｏｆ　ＳｉＣ　ｃｅｒａｍｉｃｓ　ｍａｔｒｉｘａｎｄ　ｃａｒｂｏｎ　ｆｉｂｅｒ　ｗｅｒｅ　ｓｅｔ　ｕｐ　ａｎｄ　ｃａｌｉｂｒａｔｅｄ　ｓｅｐａｒａｔｅｌｙ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｄｉｓｃｒｅｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ（ＤＥＭ）．Ｔｈｅ　ｂｉｌｉｎｅａｒ　ｃｏｈｅｓｉｖｅｌａｗ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｄａｍａｇｅ　ｉｎ　ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ　ａｎｄ　ｏｎ　ｍａｔｒｉｘ／ｆｉｂｅｒ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｗａｓ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ　ｕｓｉｎｇ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ－ｓｏｆ－ｔｅｎｉｎｇ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｍｏｄｅｌｓ，ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｃａｌｉｂｒａｔｅｄ　ｂｙ　ＤＣＢ　ｔｅｓｔ（Ｄｏｕｂｌｅ　ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ　ｂｅａｍ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｔｅｓｔ）ａｎｄ　ｍｉｃｒｏｂｏｎｄ　ｔｅｓｔ，ｒｅ－ｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｐｌａｓｔｉｃ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｃｒａｃ－ｋｉｎｇ　ｇｒｏｗｔｈ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｄｅｂｏｎｄｉｎｇ　ｗｅｒｅ　ｏｂ－ｓｅｒｖｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅｓｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｅｓｔｓ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ－ｓｏｆｔｅｎｉｎｇ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｍｏｄｅｌ　ｃｏｕｌｄ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅ　ｉｎ－ｔｅｒｆａｃｉａｌ　ｄａｍａｇｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｎｉｃｅｌｙ，ａｎｄ　ｄｉｓｃｒｅｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃｏｕｌｄ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｄａｍａｇｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｆｏｒ　ｍｏｒｅ　ｃｏｍｐｌｅｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｄｍｉｒａｂｌｙ

．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ Ｃ／ＳｉＣ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｄｉｓｃｒｅｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ（ＤＥＭ），ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ－ｓｏｆｔｅｎｉｎｇｃｏｎｔａｃｔ　

ｍｏｄｅｌ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　＊国家自然科学基金（

５０８７５２２４；５１００５１９４）；湖南省研究生科研创新基金（ＣＸ２０１０Ｂ２６２）　李林涛：

男，１９８５年生，硕士，主要从事机械工程材料和离散元研究　Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｌｉｎｔａｏ２１２＠１６３．ｃｏｍ　谭援强：男，博士生导师，主要从事摩擦学、离散元和机械传动方面研究　Ｅ－ｍａｉｌ：ｔａｎｙｑ

＠ｘｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ０　引言

Ｃ／ＳｉＣ陶瓷基复合材料具有耐高温、

抗腐蚀、高强度、高韧性等优良的高温力学性能，在航空航天、航海、汽车等领域有着广泛应用

［１］

。与ＳｉＣ陶瓷材料相比，

由于碳纤维的加入，Ｃ／ＳｉＣ陶瓷基复合材料的韧性得到了有效提高，

使陶瓷脆性材料表现出伪塑性行为，减少了发生灾难性损坏的几率［

２，３］

。目前，国内外学者主要采用有限元法（ＦＥＭ）

对复合材料进行计算模拟研究。张博明等［４］

通过有限元模拟方法分析

了微观参数（如界面强度等）对材料宏观性能的影响，从而对

复合材料进行优化设计。李典森等［５］采用有限元法建立了

编织型复合材料的三维模型，模拟得到合理的应力分布，可以对不同的复合材料起到预知作用。ＦＥＭ在工程应用上比较成熟，

在复合材料上却很难解释基体微裂纹对界面的影响，也难以动态观察微裂纹的扩展过程。关于离散元法

（ＤＥＭ）

，块体材料是由接触键和平行键相连接的颗粒集合来模拟其属性，只要外界载荷超过颗粒间键的强度或断裂能，键就发生断裂。改变断裂键的颜色就可以形象地观察到裂纹的运动以及界面脱黏等情况。同时位移软化接触模型是一种双线性结构，与界面元本构模型很接近，可以用来表征界面力学性能。基于ＤＥＭ的这些优势和特点，采用ＰＦＣ（Ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｆｌｏｗ　ｃｏｄｅ）软件建立并校准复合材料ＳｉＣ基体和碳纤维的离散元（ＢＰＭ）模型，以位移软化接触模型模拟脆／脆复合材料的界面属性，并通过ＤＣＢ和微滴脱黏收敛试验，再现裂纹的生成与扩展及界面脱黏等过程，使离散元法在复合材料领域里发挥独特的优势。

１　离散元法

离散元法（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ，ＤＥＭ）起源于分子动力学。１９７１年，离散元法首先由Ｃｕｎｄａｌｌ提出（

适用于岩·８４１·材料导报Ｂ：研究篇 ２

０１２年１１月（下）第２６卷第１１期