不同加载模式下2D-C/SiC工字梁的力学性能

《International Journal of Applied Ceramic Technology》：Mechanical performance of 2D-C/SiC I-beams under different loading modes

碳纤维增强碳化硅复合材料I型梁在平面弯曲、斜弯曲和弯扭组合载荷下的力学性能及有限元模拟研究。实验测得三种载荷下破坏载荷分别为9260N、5782N和7831N，主要失效模式为底缘分层。有限元模拟显示平面弯曲误差7.6%，弯扭4.2%，斜弯曲13%误差较大，因应力耦合效应。研究受试件数量有限和简化计算影响，后续需完善损伤模型并扩展疲劳、热载测试。

　　

摘要

由于碳纤维增强碳化硅（C/SiC）复合材料具有较高的比强度和耐热性，其在航空航天结构中的应用正在不断增加。然而，关于C/SiC结构构件在复杂载荷作用下的弯曲性能的数据却较为有限。本研究通过实验和有限元（FE）模拟，探讨了二维C/SiC工字梁在平面弯曲、斜向弯曲以及弯曲-扭转复合载荷下的力学行为。平面弯曲、斜向弯曲和弯曲-扭转的断裂载荷分别为9260 N、5782 N和7831 N。在所有情况下，分层都是主要的失效模式，断裂发生在底部法兰处。利用应变计监测了损伤的起始和发展过程，红外热波成像技术确认了损伤的发生和发展。考虑非线性本构关系和Hoffman失效准则的FE模拟结果能够较好地再现应变响应和极限载荷，其中平面弯曲的误差较小（7.6%），弯曲-扭转的误差较大（13%），这主要是由于应力相互作用所致。尽管本研究提供了可靠的实验和数值分析结果，但受限于样本数量较少以及计算方法的简化。未来的工作应改进FE模型，以考虑渐进损伤效应，并将研究扩展到循环载荷、热载荷和疲劳载荷对航空航天结构的影响。

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。