一种构建含孔洞缺陷的SiC陶瓷块体材料高温快速断裂模型的方法

本发明属于材料本构模型，特别是一种构建含孔洞缺陷的sic陶瓷块体材料高温快速断裂模型的方法。

背景技术：

1、燃气轮机是能把热能转化为机械功的续流式旋转机械，其在喷气式飞机、压缩机等机械装置中有着广泛的应用，而透平(即涡轮)是燃气轮机的核心部件，其中，涡轮叶片是透平的重要组成部分。在以往，变形高温合金一直是制造涡轮叶片的常见材料，但航空发动机对高推重比的追求，变形高温合金的性能不再能满足涡轮叶片越来越高的温度以及性能的要求。而陶瓷材料具备优异的耐高温性能，以及较低的密度，陶瓷材料也逐渐被用于涡轮叶片的应用中。陶瓷材料中sic、si3n4、al2o3等材料，因对其研究相对较为全面而被广泛应用。

2、常见的陶瓷本构模型包括两种。一种是描述陶瓷高应变率加载的响应，如deshpande-evans、johnson-holmquist(jh)、rajendran-grove和wilkins模型。另外一种是用于描述陶瓷低应变率加载的响应，如快速断裂模型，即brittle cracking模型。

3、目前，对于高应变率加载条件下的材料jh模型建立的方法应用较广，研究也较为充分。如熊益波等在《工程力学》上发表的论文《混凝土johnson-holmquist本构模型关键参数研究》中，由于jh模型在混凝土强动载问题中的广泛应用以及其可靠参数的缺乏而展开研究，通过分析参数灵敏度以及对以往文献的统计分析，再加以实测验证，从而获取混凝土jh模型中关键参数的方法。杨震琦等在《爆炸与冲击》中发表的《jh-2模型及其在al2o3陶瓷低速撞击数值模拟中的应用》中讨论了描述陶瓷材料动态损伤的jh-2本构模型及其参数的确定。

4、但涡轮叶片在高温服役条件下的寿命等问题并不满足在短时间内产生较大应变的前提，因此现有的jh模型等高应变率加载条件下的模型在探究涡轮叶片寿命等问题时不适用，应当选取低应变率加载条件下的本构模型。然而，目前低应变率加载条件下的本构模型及其参数的确定仍不充分，尤其是缺少brittle cracking模型的关键参数确定方法，这对于陶瓷材料的长期应用带来了不确定性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种构建含孔洞缺陷的sic陶瓷块体材料高温快速断裂模型的方法，从而有助于sic陶瓷块体材料在实际应用中的可靠性分析。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：

3、一种构建含孔洞缺陷的sic陶瓷块体材料高温快速断裂模型的方法，包括如下步骤：

4、(1)获得试样孔洞信息，包括每个孔洞的位置、体积；；

5、(2)开展三点弯曲实验，获得该试样的弯曲强度；

6、(3)采用python语言进行二次开发，按照孔洞位置和体积在abaqus软件中建立含孔洞缺陷的sic陶瓷块体材料三点弯曲实验模型；

7、(4)在abaqus软件中模拟试样不同弹性模量e和极限抗拉强度uts条件下的弯曲强度模拟试验；

8、(5)通过对比模拟试验所得弯曲强度和实测弯曲强度，确定试样的弹性模量e以及极限抗拉强度uts，即确定快速断裂模型两个参数，即可建立快速断裂模型。

9、本发明与现有技术相比，其显著优点是：

10、(1)利用abaqus进行分析，对试样在不同弹性模量e和极限抗拉强度uts条件下的弯曲强度进行预测，与实测值对比，从而确定快速断裂模型关键参数。材料中微观结构等不确定因素对整体的影响均以弹性模量e和极限抗拉强度uts整体体现，能够为sic陶瓷块体材料在不同条件下服役要求提供参考。(2)对孔洞数据进行预处理，在误差范围内，提高了abaqus模拟的效率。(3)在低应变加载条件下采用brittle cracking模型，符合国家标准及测试条件，且与实际长期使用的条件相符，模型可靠性较高。

技术特征：

1.一种构建含孔洞缺陷的sic陶瓷块体材料高温快速断裂模型的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，获得试样孔洞信息：在进行工业ct扫描后，对扫描所得的真实孔洞数据进行预处理：从第一个孔洞开始，分别比较其余孔洞与该孔洞x、y、z方向的距离，距离相差小于20μm的孔洞处理为对应坐标相同。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用brittle cracking模型作为快速断裂模型。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，对于brittle cracking模型中的三条定义，需要输入三组参数：

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于两个试样模拟与实测值相对误差小于10％对应的uts为模型参数取值，如出现多组合适的uts，取误差绝对值最小的一组的uts。

技术总结
本发明公开了一种构建含孔洞缺陷的SiC陶瓷块体材料高温快速断裂模型的方法，包括：(1)获得试样孔洞信息，包括每个孔洞的位置、体积；(2)开展三点弯曲实验，获得该试样的弯曲强度；(3)采用Python语言进行二次开发，按照孔洞位置和体积在Abaqus软件中建立含孔洞缺陷的SiC陶瓷块体材料三点弯曲实验模型；(4)在Abaqus软件中模拟试样不同弹性模量E和极限抗拉强度UTS条件下的弯曲强度模拟试验；(5)通过对比模拟试验所得弯曲强度和实测弯曲强度，确定试样的弹性模量E以及极限抗拉强度UTS，即可建立快速断裂模型。本发明有助于SiC陶瓷块体材料在实际应用中的可靠性分析。

技术研发人员：苏恺扬,汪烨辉,汤轩赫,吴震,张雨菲,张新平,刘伟,侯怀宇,彭俊胜
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5