碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料宏細(xì)觀切削過程仿真.pdf

1、碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(CFRP)是一種先進(jìn)的復(fù)合材料，由于其具有優(yōu)異的力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用在各行各業(yè)。但由于CFRP結(jié)構(gòu)上的特殊性，在細(xì)觀上呈纖維與樹脂的混合態(tài)，宏觀上呈各向異性等特點，使得加工碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件容易出現(xiàn)分層、毛刺、撕裂等各種損傷。與傳統(tǒng)金屬切削不同，切削CFRP是刀具與纖維樹脂等組成相相互作用的過程，這導(dǎo)致CFRP去除過程非常復(fù)雜。因此，為了避免損傷的出現(xiàn)，提高加工質(zhì)量，需要對碳纖維復(fù)合材料的去除機(jī)理有更進(jìn)一步的認(rèn)

2、識。實驗、理論與數(shù)值模擬是研究CFRP切削的三種重要手段，其中，有限元技術(shù)已經(jīng)越來越多的應(yīng)用到切削仿真領(lǐng)域。本文將利用仿真模擬與實驗驗證相結(jié)合的方法，揭示CFRP切削過程的去除機(jī)理。由于CFRP具有跨尺度、各向異性特點，切削CFRP是一個從細(xì)觀局部破壞到宏觀切屑形成的去除過程，因此本文將從細(xì)觀和宏觀兩個尺度對CFRP的去除機(jī)理進(jìn)行研究。
　　為了揭示CFRP細(xì)觀層面的局部破壞，本文建立了包含纖維、基體、界面等組成相并考慮各自材料本

3、構(gòu)、失效及演化準(zhǔn)則在內(nèi)的多相態(tài)細(xì)觀仿真模型。其中，完整考慮了CFRP細(xì)觀組成特點，建立了包含纖維相、基體相、界面相等組成相的多相態(tài)幾何模型，并對參與切削的區(qū)域進(jìn)行局部細(xì)化，以提高計算效率。在材料方面，不同的組成相分別使用了不同的材料本構(gòu)、損傷起始以及損傷演化準(zhǔn)則。其中，纖維相為線彈性本構(gòu)，采用Hashin失效準(zhǔn)則。樹脂則采用彈塑性本構(gòu)模型和剪切失效。界面使用內(nèi)聚力Cohesive單元模擬界面行為。在此基礎(chǔ)上，本文建立了典型纖維角度的細(xì)觀

4、切削模型，可以實現(xiàn)纖維基體局部破壞的仿真模擬。
　　為了研究不同切削參數(shù)對宏觀成屑及切削力的影響，本文建立了基于等效均質(zhì)方法的CFRP三維宏觀切削仿真模型。由于有限元軟件沒有提供CFRP三維失效準(zhǔn)則，因此，本文利用ABAQUS提供的VUMAT子程序接口，對CFRP材料模型進(jìn)行二次開發(fā)。自定義了包含三維線彈性本構(gòu)、三維Hashin失效準(zhǔn)則、以及損傷演化準(zhǔn)則材料模型，以完整描述切削過程中的材料響應(yīng)歷程。并考慮到切削過程中材料有殘余剛度

5、，因此引入了最大剛度退化系數(shù)，使CFRP有一定的剛度殘余。不同纖維角度下刀具與工件的摩擦系數(shù)不同，因此接觸模型為庫倫摩擦，摩擦系數(shù)隨纖維角度變化。在此基礎(chǔ)上，模擬了三維宏觀切削CFRP單向板的過程，得到CFRP宏觀成屑規(guī)律。
　　本文建立了細(xì)觀切削仿真模型和宏觀切削仿真模型，并設(shè)計了顯微觀測實驗驗證了模型的正確性，得到了碳纖維復(fù)合材料從細(xì)觀局部破壞到宏觀切屑形成的材料去除機(jī)理。以切削0°纖維為例:切削0°CFRP時以界面開裂，纖維