外文翻譯譯文--玻璃鋼復(fù)合材料的加工 - 微機(jī)械建模的切削力分析

1、<p>　　中文10500字 玻璃鋼復(fù)合材料的加工 - 微機(jī)械建模的切削力分析</p><p>　　G. Venu Gopala Raoa, P. Mahajana, N. Bhatnagarb,*</p><p>　　a應(yīng)用力學(xué)部門，印度新德里理工大學(xué)，Hauz Khas、新德里110 016,印度</p><p>　　b機(jī)械工程學(xué)系,印度理工學(xué)院新德里

2、 Hauz Khas、新德里110 016,印度</p><p>　　2006年1月21日收到的,2006年在6月20日收到修改形式;2006年8月15日接受了它</p><p>　　2006年10月5日發(fā)在網(wǎng)上</p><p>　　摘要： 正交加工單向碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(UD-CFRP)和玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(UD-GFRP)復(fù)合材料進(jìn)行了模擬,并利用有限元法(F

3、EM)。兩相微機(jī)械模型和纖維假設(shè)彈性和彈塑性是用來評估矩陣等淬球鐵在機(jī)加工時(shí)切削力。一個緊密聯(lián)系的區(qū)域模擬界面用其加工的纖維和基體之間產(chǎn)生。纖維的失敗是基于最大主應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度。這矩陣彈性模量包括傷害使屈服強(qiáng)度達(dá)到一次。該模型假設(shè)平面應(yīng)變靜態(tài)條件。在加工的切削力研究了正交實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬方法都有適合你的(h)的力的取向,深受切(t)和工具耙角度(c)。接觸力與刀具之間產(chǎn)生了一個好的估計(jì)提供纖維的切割(Fh)和推力(Fv)力量在正交切削過

4、程。力的失敗被發(fā)現(xiàn)是由粉碎和彎曲,彎曲效應(yīng)變得更有意義的是纖力向變化從90度到15度。</p><p>　　©2006年教育部博士點(diǎn)基金有限公司版權(quán)所有。</p><p>　　關(guān)鍵詞: 復(fù)合材料、粘性區(qū)域模型,有限元方法、切削力、加工</p><p>　　Micro-mechanical modeling of machining of FRP comp

5、osites –Cutting</p><p>　　force analysis</p><p>　　G. Venu Gopala Raoa, P. Mahajana, N. Bhatnagarb,*</p><p>　　a Department of Applied Mechanics, Indian Institute of Technology Delhi,

6、Hauz Khas, New Delhi 110 016, India</p><p>　　b Department of Mechanical Engineering, Indian Institute of Technology Delhi, Hauz Khas, New Delhi 110 016, India</p><p>　　Received 21 January 2006;

7、received in revised form 20 June 2006; accepted 15 August 2006</p><p>　　Available online 5 October 2006</p><p>　　Abstract：Orthogonal machining of unidirectional carbon fiber reinforced polymer (

8、UD-CFRP) and glass fiber reinforced polymer (UD-GFRP) composites is simulated using finite element method (FEM). A two-phase micro-mechanical model with fiber assumed elastic and the matrix elasto-plastic is used to esti

9、mate the cutting forces during machining. A cohesive zone simulated the interface debonding between the fiber and matrix. Fiber failure was based on maximum principal stresses reaching the tensile st</p><p>

10、　　©2006 Elsevier Ltd. All rights reserved. </p><p>　　Keywords: Composites; Cohesive zone model; Finite element method; Cutting forces; Machinin</p><p>　　聯(lián)系人：Tel.: +91 11 2659 1139; fax: +91

11、 11 2658 2053.</p><p>　　E-mail address: nareshb@mech.iitd.ernet.in (N. Bhatnagar).</p><p>　　0266-3538/$ - see front matter © 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.</p><p>　　do

12、i:10.1016/j.compscitech.2006.08.010</p><p><b>　　術(shù)語</b></p><p>　　UD-CFRP 微單向碳纖維加固 τ 切應(yīng)力</p><p>　　UD-CFRP 單向玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 L 初始接觸點(diǎn)的距離</p><

13、;p>　　EHM 等效均質(zhì)材料 σvm 應(yīng)力</p><p>　　EHM1 第一個等效均質(zhì)材料 σy y向屈服強(qiáng)度</p><p>　　EHM2 第二個等效均質(zhì)材料 φ stress-opening位移勢函數(shù)</p><p>　　f1 第一個力

14、 φn 在正常工作的分離方向</p><p>　　f2 第二個力 φt 工作的切向方向分離</p><p>　　m1 第一個力矩 T 牽引力矩</p><p>　　m2 第二個力矩

15、 Tn 正向牽引力矩</p><p>　　m3 第三個力矩 Tt 切向牽引力矩</p><p>　　FRP 纖維增強(qiáng)聚合物 δn 正向長度方向</p><p>　　FEM 有限元方法

16、 δt 切向長度方向</p><p>　　FE 有限元 位移矢量跳躍</p><p>　　CZM 銜接區(qū)域模型 Δn 正向位移矢量跳躍</p><p>　　Fh 切削力(水平分量) Δt 切向位

17、移矢量跳躍</p><p>　　Fv 切削力(垂直分量) σmax 正面最大強(qiáng)度</p><p>　　V 刀具的速度 τmax 切向最大強(qiáng)度</p><p>　　t 切削深度 E11 彈性模量隨纖維方向&

18、lt;/p><p>　　d 纖維直徑 E22 彈性模量縱切纖維方向</p><p>　　de 損傷變量 υ12主要泊松比</p><p>　　θ 傷害可變角度取向 G12 剪切模量在1-2面間</p&

19、gt;<p>　　r 邊半徑 Xt 抗拉強(qiáng)度隨纖維方向</p><p>　　γ前傾角 Xc 抗壓強(qiáng)度隨纖維方向</p><p>　　α后傾角 Yt 在纖維方向上的抗拉強(qiáng)度</

20、p><p>　　μ摩擦系數(shù) Yc 在纖維方向上的抗壓強(qiáng)度</p><p>　　p 正常接觸壓力 S 1-2面上的剪切強(qiáng)度</p><p>　　1.介紹 </p><p>　　纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)復(fù)合材料有著廣泛的應(yīng)用

21、前景，用于各種應(yīng)用,由于其高特定力量和高剛度比。大部分的玻璃鋼等工藝制備了;然而,后期階段去除多余的材料往往是通過加工進(jìn)行尺寸要求,組裝滿足需求。加工是困難的,因?yàn)椴Ａт撝破匪麄兊牟牧系姆琴|(zhì)性、非連續(xù)性和各向異性不均勻性然。各種損傷機(jī)制也如纖維通過拉 </p><p>　　力、纖維分裂、分層、纖維燃燒,基體開裂和地下?lián)p傷導(dǎo)致貧窮切割表面質(zhì)量。相比,金屬加工,加工復(fù)合材料的研究

22、很少和有限的號碼。同時(shí),由于他們的非齊次和各項(xiàng)異性的自然的各種可能造成的損害也機(jī)構(gòu)、材料去除的 過程是不同的加工的單相材料。實(shí)驗(yàn)工作UD-CFRP復(fù)合材料的切割方法通過Koplev提出。[1].加工特性 認(rèn)為只有平行和垂直維,結(jié)果被發(fā)現(xiàn)定向芯片尺寸、切割等驅(qū)動力變化特征,并以耙式和救濟(jì)角度。裂紋在工具提示傳播(Mode-I)被觀察到在加工0度纖維而下,壓縮破裂是引起注意到在機(jī)械加工 90度纖維取向。在此基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀察Mode-I，

23、Mode-II破壞機(jī)制,導(dǎo)致晶片的形成由Caprino提出的。[2] .強(qiáng)化機(jī)制0°纖維取向。切削負(fù)面的纖維取向石墨/環(huán)氧樹脂被歸因于壓縮剪切破壞,引起通過Arola提供。[3]。對于同樣范圍的纖維方向在文獻(xiàn)[3]的基礎(chǔ)上,Bhatnagar[4]認(rèn)為由于纖維斷裂軸向張力切削機(jī)制,也是王、張印證[5]。Pwu和Hocheng</p><p>　　[6]建議纖維彎曲壓力超過了最終的材料強(qiáng)度。Arola和R

24、amulu[7]從切削實(shí)驗(yàn),觀察和驅(qū)動力注冊一個最低在15 - 30纖維此后定位范圍和增加到90。這切削力實(shí)驗(yàn)得到的吻合較好用數(shù)值解析的驅(qū)動力,但變化了不符合其他研究人員([3、4、8)。有一些分析以及實(shí)證模型([4、6、8)提出了建議經(jīng)過多年的切削力預(yù)測。雖然所有的分析模型在這里列出的表現(xiàn)的很好在規(guī)定的范圍內(nèi),他們中沒有人普遍接受。一個分析模型由張丁曉萍。[9]將切割地區(qū)基于變形機(jī)制,分成三份吧地區(qū),即、切削、沖壓及跳躍估算的增加的切

25、削力的部隊(duì)從三個區(qū)域。趨勢預(yù)測和驅(qū)動力的切削力實(shí)驗(yàn)雖然匹配實(shí)際數(shù)值修改,27%、37%實(shí)驗(yàn)值。在此模型上進(jìn)行了簡要的討論和我們的結(jié)果4.2.7章討論。很少研究人員利用數(shù)值分析進(jìn)行調(diào)查在材料與加工反應(yīng)正交D-FRP加工復(fù)合材料([7、10、11])。</p><p>　　這里舉數(shù)值模式用一個相等的均質(zhì)材料(記得不能用它做)建模的正交加工操作,這可能是最主要的來源偏差的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值結(jié)果,特別是驅(qū)動力。Nayak丁曉

26、萍。[12]試過了這種情況下,正確運(yùn)用一個模式,在這里的纖維和矩陣分別建模,而不是作為一個為UD-GFRP只記得不能用它做復(fù)合材料。用其加工的力和考慮彈性矩陣與力量的基礎(chǔ)規(guī)范進(jìn)行分離纖維和基體中。就知道兩個推力和切削力匹配與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)不錯。該模型不包括矩陣計(jì)算切割傷害嗎部隊(duì)。在這里,也在細(xì)觀力學(xué)模型[12]只有更好地預(yù)測相比,驅(qū)動力記得不能用它做它還兼容微機(jī)械模型上的光線的機(jī)械制造加工。 在與金屬剪切的主要芯片的形成機(jī)理,在復(fù)合材料局

27、部在fiber-matrix彎曲界面似乎是很重要的在芯片的形成。當(dāng)微機(jī)械失敗提供良好的預(yù)測理論做我的傷害,是否矩陣的傷害類型的裂縫和脫粘可以預(yù)測的細(xì)觀力學(xué)的孤獨(dú)。本文延伸[12]的工作,并結(jié)合東莞市新特征模型:</p><p>　　矩陣被認(rèn)為與彈塑性各向同性硬化。</p><p>　　矩陣經(jīng)過傷害并且這是一次建模降解彈性模量屈服強(qiáng)度的矩陣已經(jīng)被超過的線性失敗</p><

28、p>　　力-力矩界面脫粘在建模應(yīng)用粘性區(qū)模型(CZM)。G IC和G IIC在Mode-I斷裂的能量和Mode-II決定的產(chǎn)生的,而不是力量[12]。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究了確定切削力(Fh，F(xiàn)v)及其變化與切削深度(t)、刀具前角在UD-CFRP(c)復(fù)合材料的纖維取向和UD-GFRP(h)和 15度至90度的15°增量的變化，方向?qū)η懈罘较蛞恢隆?lt;/p><p

29、>　　接觸壓力(p)在復(fù)合刀具工作界面,強(qiáng)調(diào)在纖維和矩陣,它們的變化</p><p>　　用纖維取向、潛在的機(jī)制纖維、損壞在矩陣、界面脫粘、增強(qiáng)利用數(shù)值模擬的方法計(jì)算了相應(yīng)的地下?lián)p傷詳細(xì)地討論了。</p><p>　　2. 實(shí)驗(yàn)過程、材料、工具幾何和工藝參數(shù)</p><p>　　有多少參數(shù)在加工復(fù)合材料通常是取大的。此外,過程和工具的幾何形狀參數(shù)、非均質(zhì)和各向

30、異性的性質(zhì)材料和加工的方向就力定位是額外的變量,這需要研究。因此,它相當(dāng)是詳盡、費(fèi)時(shí)和不經(jīng)濟(jì)的來確定理想的加工反應(yīng)實(shí)驗(yàn)獨(dú)自一人。有限元方法</p><p>　　(FEM)被廣泛用于預(yù)測加工的反應(yīng)金屬和相同的技術(shù)最近被延長了對復(fù)合材料。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于它的過程中性能模型的細(xì)節(jié)和執(zhí)行一個的參數(shù)密切配合不同研究輸入變量。</p><p>　　市面上買得到的有限元分析軟件ABAQUS v6.5[1

31、3]工具是用于模擬加工和UD-GFRP 正交UD-CFRP復(fù)合材料。 一個平面應(yīng)變分析,應(yīng)用典型金屬加工也用于加工FRP復(fù)合材料。產(chǎn)生的熱量之間的刀具及工作</p><p>　　資料被忽視,因?yàn)閷?shí)驗(yàn)以非常低切削速度(V = 0.5米/分鐘)。這UD-CFRP,UD-GFRP復(fù)合材料在微觀的尺度進(jìn)行建模,作為一個分層考慮到纖維和基體材料作為單獨(dú)的階段記得不能用它做,而不是作為一個。刀具建模為剛性的身體

32、 </p><p>　　(的彈性模量整體硬質(zhì)合金刀具資料分別為2.5和,為6倍彈性模量的碳和玻璃纖維,分別)和一個參考點(diǎn)控制運(yùn)動的刀具。同樣的鐵模型可以用來模擬復(fù)合材料UD-CFRP和UD-GFRP通過改變工作材料的特性。</p><p>　　性能的有限元模擬中使用了表2。這項(xiàng)工作是由UD-CFRP材料和UD-GFRP復(fù)合材料、兩個都是脆性的。碳纖維橫觀各向同性;而兩個環(huán)

33、氧樹脂和玻璃纖維是各向同性。這彈性模量的碳纖維張力和壓縮縱向方向上是不同的。數(shù)值模型,以及平衡保持問題,只有區(qū)域工作資料接近形成區(qū)域模擬芯片。位移底部的工件在兩個切割和垂直方向上的限制有限元模型。位移的極端左側(cè)抑制切削方向。</p><p>　　模擬了切削過程的工具被轉(zhuǎn)移對工作資料。需要工具位移以產(chǎn)生足夠的壓力在纖維尚不得而知之前的有限元</p><p>　　模擬。因此一個迭代方法被用來找

34、到合適的工具位移</p><p>　　最大主應(yīng)力在纖維及纖維力量。為理解和震級的起源切割和驅(qū)動力的人能想象加工問題作為一個接觸問題剛性的硬度測試壓頭之間邊半徑和分層的媒體,如圖3所示。聯(lián)系元素被用來防止?jié)B透</p><p>　　工具到纖維。工件的部分接近建模工具使用纖維和基體分開,然而,部分已經(jīng)遠(yuǎn)離工具模型</p><p>　　記得不能用它做一樣。兩個纖維和三個層次

35、的矩陣如下所示在圖3 a和工具被接觸</p><p>　　第一層后第一次纖維基質(zhì)的了被加工。提出了對工具工件,還有一種可能是纖維-基質(zhì)脫粘,基體開裂及纖維斷裂。</p><p>　　矩陣之間的界面和纖維模型采用零厚度凝聚力的元素,它允許脫粘發(fā)生一旦界面斷裂能量用其加工的纖維和基體之間受理。彈性矩陣的系數(shù)下降壓力一旦幫助中的小應(yīng)變分析</p><p>　　矩陣元素超過

36、極限強(qiáng)度矩陣。觀察這個矩陣傷害多遠(yuǎn)彌漫在方向運(yùn)動的工具,另外一個模型具有較大數(shù)量的纖維和基體層如圖所示圖3 b是使用。仿真加工的開始通過給予一個置換對硬質(zhì)工具對這項(xiàng)工作資料沿水平軸。之間的摩擦力工具和纖維假設(shè)為Coulombic、自然摩擦系數(shù)作為0.3。[12]早些時(shí)候,針板實(shí)驗(yàn)已經(jīng)進(jìn)行了單向的層合板方向,就知道不同摩擦系0.3到0.9的纖維定位的改變。然而,沒有數(shù)據(jù)單纖維工具系數(shù)是可得到的,因此摩擦系數(shù)0.3之間被視作正常摩擦。接觸壓

37、力和摩擦剪切的最大邊界。</p><p>　　3. 有限元建模、材料性質(zhì)以及邊界條件</p><p>　　有多少參數(shù)在加工的復(fù)合材料通常是大型。此外,過程和工具幾何參數(shù)、非均質(zhì)和各向異性材料的性質(zhì)和加工的方向就纖維取向是額外的變量,這需要進(jìn)一步研究。因此,它相當(dāng)是詳盡、費(fèi)時(shí),來確定理想的加工是不經(jīng)濟(jì)的，反應(yīng)實(shí)驗(yàn)獨(dú)自一人。有限元法(FEM)被廣泛用于預(yù)測加工回應(yīng)的金屬和相同的技術(shù)近來擴(kuò)展到復(fù)

38、合材料。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于它有能力模型的過程中,細(xì)節(jié)和執(zhí)行一個參數(shù)化的密切配合不同研究輸入變量。</p><p>　　市面上買得到的有限元分析軟件ABAQUS v6.5[13]工具是用于模擬和UD-GFRP UD-CFRP正交加工復(fù)合材料。一個平面應(yīng)變分析,從而對金屬加工用典型也用于加工FRP復(fù)合材料。產(chǎn)生的熱量之間的刀具和工作資料被忽視,因?yàn)閷?shí)驗(yàn)以非常低的切削速度(V = 0.5米/分鐘)。這UD-CFRP,UD

39、-GFRP復(fù)合材料在微觀的尺度進(jìn)行建模,考慮纖維和基體層材料作為單獨(dú)的階段,而不是作為一個記得不能用它做。刀具被視為剛體(彈性模量、整體硬質(zhì)合金刀具材料是2.5,6倍彈性模量的碳和玻璃纖維,分別)和一個參考點(diǎn)來控制運(yùn)動的刀具。同樣的有限元模型可以用來模擬復(fù)合材料UD-CFRP和UD-GFRP通過改變工作材料的特性。</p><p>　　采用有限元模擬的性質(zhì)給出了在表2。這項(xiàng)工作是由UD-CFRP材料和復(fù)合材料UD

40、-GFRP;兩個要素是彈性和脆性。碳纖維橫觀各向同性;而環(huán)氧樹脂和玻璃纖維都是各向同性。在彈性模量的碳纖維對拉壓在縱向方向是不同的。在數(shù)值模式,把問題容易加工,只有區(qū)域的材料接近芯片工作形成區(qū)域進(jìn)行了建模。位移底部的工件在切削和垂直方向的有限元模型克制。位移的極端左側(cè)真知切削方向。</p><p>　　模擬了切削過程的工具被轉(zhuǎn)移對工作資料。工具必須產(chǎn)生足夠位移應(yīng)力前纖維是未知的有限元模擬。因此一個迭代方法被用來找

41、到合適的工具位移為最大主應(yīng)力在纖維及纖維增強(qiáng)。為理解的起源和級的切割和驅(qū)動力的人能想象加工問題作為一個接觸問題剛性之間有優(yōu)勢半徑和分層的媒體,如圖3所示。聯(lián)系元素被用來防止?jié)B透到纖維的工具。應(yīng)得的工件毗鄰建模工具使用纖維和基體分開,然而,部分遠(yuǎn)離工具已經(jīng)轉(zhuǎn)化為記得不能用它做。兩個纖維和三個層次的矩陣如圖3和工具可能是第一個纖維接觸后矩陣的第一層通過加工已被移除。作為分析工具對工件的進(jìn)展,還有一種可能是脫粘,基體開裂及纖維斷裂。</

42、p><p>　　在這之間的界面建模矩陣和纖維采用零厚度凝聚力的元素,這樣就可以脫粘發(fā)生一旦界面斷裂纖維和基體間能量受理。彈性mod-ulus矩陣的一次下降幫助中的小應(yīng)變分析應(yīng)力超過極限強(qiáng)度矩陣元素的矩陣。觀察這個矩陣傷害有多遠(yuǎn)的方向穿透工具運(yùn)動,另外一個模型具有較大數(shù)量的纖維和基體層,如圖3 b是使用。仿真加工開始提前位移對硬質(zhì)工具對這項(xiàng)工作資料沿水平軸。工具和纖維之間的摩擦力是假設(shè)為Coulombic自然和摩擦系數(shù)

43、作為0.3。[12]早些時(shí)候,針板實(shí)驗(yàn)已經(jīng)單向?qū)雍习暹M(jìn)行了方向,就知道摩擦系數(shù)從0.3到0.9不同纖維取向的改變,從0°到90°。然而,沒有數(shù)據(jù)單fiber-tool系數(shù)是可得到的,因此摩擦系數(shù)為0.3之間被纖維表面和工具。接觸壓力和摩擦剪切在fiber-tool界面集成在接觸面積被解決給切割和驅(qū)動力。接觸壓力和接觸區(qū)域的一部分,輸出的有限元軟件解決方案。工作的壓力發(fā)展資料當(dāng)工具讓接觸纖維和后腦勺頂著它。然后生成有限

44、元力學(xué)模型對不同纖維方向,深處的削減,并以一個恒定的救濟(jì)耙角角度和邊緣半徑。</p><p>　　纖維工具界面集成在接觸面積決定給切割和驅(qū)動力。接觸壓力和接觸區(qū)域是一個部分的解決方法輸出的有限元軟件。發(fā)展的壓力當(dāng)工具讓工作材料與纖維和后腦勺頂著它。然后生成有限元力學(xué)模型對不同纖維方向,深處的切割、擊和掃擊以一個恒定的救援角度角度和邊緣半徑。</p><p><b>　　表 2&l

45、t;/b></p><p>　　在材料力學(xué)性能的有限元模擬（14-23）</p><p>　　材料 屬性</p><p>　　纖維（碳） 彈性常數(shù)(張力) E 11= 235 GPa, E22= 14 GPa, G 12= 28 GPa, υ12= 0.2</p><p&g

46、t;　　彈性常數(shù)(壓) E 11= 110 GPa, E22= 14 GPa, G 12= 28 GPa, υ12= 0.2</p><p>　　抗拉強(qiáng)度 X t= 3.59 GPa,Y t= 0.35 GPa</p><p>　　抗壓強(qiáng)度 X c

47、= 1.8 GPa, Yc= 2.73 GPa</p><p>　　抗剪強(qiáng)度 S = 0.38 GPa</p><p>　　直徑 d =10μm</p><p>　　纖維（玻璃） 彈性常數(shù) E = 72 G

48、Pa, υ12= 0.22</p><p>　　抗張強(qiáng)度 σt= 3.4 GPa</p><p>　　直徑 d =10μm</p><p>　　矩陣(環(huán)氧樹脂) 彈性常數(shù) E = 3.1 GPa, υ12= 0

49、.33</p><p>　　抗張強(qiáng)度 σt= 70 GPa</p><p>　　陶瓷纖維 正應(yīng)力強(qiáng)度 160 MPa (UD-GFRP), 167.5 MPa (UD-CFRP)</p><p>　　切應(yīng)力強(qiáng)度 34

50、 MPa (UD-GFRP), 25 MPa (UD-CFRP)</p><p>　　分離功 50 N/m (UD-GFRP), 50 N/m (UD-CFRP)</p><p>　　EHM (UD-CFRP)彈性常數(shù) E11= 140 GPa, E22= 11 GPa, G 12= 6

51、 GPa, t12= 0.38</p><p>　　EHM (UD-GFRP)彈性常數(shù) E 11= 35.9 GPa,E22= 4.55 GPa,G12= 3.83 GPa,t12= 0.33</p><p><b>　　3.1 界面破壞</b></p><p>　　粘性區(qū)模型(CZM)是一種斷

52、裂力學(xué)的觀點(diǎn)方法研究了兩種不同界面的影響材料或在同一材料時(shí),這些都是開始粘結(jié)在一起(24,25)。CZM方法已經(jīng)被使用在fiber-matrix界面脫粘過程中為正交兩UD-CFRP加工和UD-GFRP復(fù)合材料。零厚度表面元素進(jìn)行了介紹。粘性元素之間 的界限,在界面nor-mal有限元網(wǎng)格,這 是以stress-opening位移勢函數(shù)(φ)。 這勢函數(shù),用于這些元素,允許兩者兼?zhèn)淝邢蛞约罢５姆蛛x，用于這些元素 </p>

53、<p>　　,允許兩者兼?zhèn)淝邢蛞约罢５姆蛛x。給出了φ（）潛力的情形,分離功在正常方向(φn)及切向方向(φt)平等是寫成（1）: </p><p>　　在這里,δn和δt是正常的和切向接口嗎特征長度。界面牽引向量確定潛在的功能(φ),以以下的關(guān)系（2）：</p><p>　　當(dāng)是一個穿過表面的位移矢量跳躍時(shí)，</p>

54、<p>　　其分離功的大小首先,牽引增加最大,然后接近零,如圖4 a和b</p><p>　　因此,牽引力表示可以寫成:</p><p>　　正常工作的分離,φn和剪切工作的分離、φ t可以寫成:（5）（6）</p><p>　　當(dāng) e = exp(1) = 2.718并且σmax，τmax是界面常規(guī)強(qiáng)度及切向強(qiáng)度,分別。從 以上,很明顯,CZM可以得

55、到最優(yōu)參數(shù),φn,φ t，σmax，τmax。解收斂非常敏感的大小的粘性元素重新和大量的有限元力學(xué)模型與不同的元素最終的大小是決定之前測試元件體積1 lm·1 lm界面。四個點(diǎn)點(diǎn)頭四邊形元素在使用?？倲?shù)量的部件,在網(wǎng)格處理時(shí)間變化的模型根據(jù)纖維取向模型。粘性表面元素被實(shí)施元素?cái)?shù)值作為參數(shù)。</p><p><b>　　。</b></p><p>　　3.2

56、基質(zhì)材料失效</p><p>　　展品彈性和非線性矩陣性能[16]塑料。(E)的楊氏模量、泊松比(t)的特性為線性彈性性質(zhì)。幫助中的小應(yīng)變分析產(chǎn)量標(biāo)準(zhǔn)和同位素硬化是用來定義的行為塑料環(huán)氧樹脂基體。本標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測這發(fā)生在彈性屈服剪切應(yīng)變能量密度達(dá)到臨界值。Mises屈服準(zhǔn)則的假設(shè)屈服行為是獨(dú)立的靜水應(yīng)力和屈服行為是平等的張力和壓縮。在室溫條件下的屈服應(yīng)力環(huán)氧樹脂是24帕和力量的70帕。一旦應(yīng)力在矩陣達(dá)到屈服強(qiáng)度,開始承

57、擔(dān)損壞發(fā)生。被傷害各向同性,面向熱四面八方比較一致的。為建立熱空隙在環(huán)氧樹脂基體的彈性模量下降。這退化系數(shù)(Em原)相關(guān)系數(shù)(E)的電磁關(guān)系(1 d = E),在那里' de損壞的在矩陣模量占由于變化基體開裂。損傷變量(d艾凡)是假定線性0和0.99之間變化。損傷變量(de)是0相同的塑性應(yīng)變0.0對應(yīng)對屈服強(qiáng)度、是13:55,等效塑性應(yīng)變對失敗的相應(yīng)強(qiáng)度0.05環(huán)氧樹脂。</p><p>　　3.3 庫

58、侖摩擦定律</p><p>　　刀具間的摩擦和光纖中扮演一個重要的作用在加工的復(fù)合材料。庫倫摩擦的法律選擇應(yīng)用于接觸的一對用其加工的纖維和工具之間和相對運(yùn)動(滑)工具纖維之間發(fā)生在接觸點(diǎn)當(dāng)纖維沿著工具纖維界面剪切應(yīng)力比(s)或等于臨界摩擦應(yīng)力(l p)哪里p”正常壓力在同一點(diǎn)。目前micro-mechanics,之間的摩擦系數(shù)工具纖維接口作為兩UD-CFRP為0.3和UD-GFRP復(fù)合材料。 不過,據(jù)了解,高纖維

59、取向這摩擦系數(shù)沒有不變的機(jī)械加工、較快的速度高等負(fù)荷。</p><p><b>　　4.結(jié)論與討論</b></p><p><b>　　4.1 實(shí)驗(yàn)觀察</b></p><p>　　實(shí)驗(yàn)觀察切削力的變化特征,并以不同的纖維取向(h),角(γ)和切削深度(t)進(jìn)行了研究。所有的實(shí)驗(yàn)以恒切削速度(V = 0.5米/分鐘)和救濟(jì)

60、角度(α= 6°)。切削力的主要取決于纖維取向(θ)和切削深度(t),但不受角(γ)為這組工藝參數(shù)、材料體系。</p><p>　　圖5中所見到的原則(頻)切削力增加,纖維取向(15° - 90°)的減少都深處的材料體系。然而,這些部隊(duì)隨角增加(5°、10°、15°);類似的趨勢是觀察者為兩個材料體系。這些觀察也支持早期研究者([5、12])。的驅(qū)動力(

61、Fv),然而,不隨溫度的降低而減小切削深度增加,纖維取向。這是真實(shí)的所有角度出發(fā),對兩UD-CFRP斜度和UD-GFRP復(fù)合材料。</p><p><b>　　4.2 數(shù)值預(yù)測</b></p><p>　　4.2.1 接觸壓力和摩擦剪切</p><p>　　接觸壓力和摩擦剪切纖維與刀具之間的位移為工具導(dǎo)致纖維的斷裂強(qiáng)度在到達(dá)有限元模擬計(jì)算了一系

62、列的纖維方向。初始接觸點(diǎn)沿纖維剖切平面隨纖維取向(θ)和(r)邊緣半徑刀具的給出了長(L)= r(tanθ / 2)],預(yù)報(bào)圖6。接觸壓力和摩擦剪切有助于芯片釋放所有工作材料及元件沿著分別正常切削方向提供推力和切削力。最大的正常接觸壓力沒有變化不大,與纖維取向和穩(wěn)定的維持在1350M帕的發(fā)現(xiàn),為UD-CFRP M1780帕,UD-GFRP復(fù)合材料,分別,如圖7 a和b。最大的正常接觸壓力沒有變化不大,與纖維取向和穩(wěn)定的維持在1350帕的

63、發(fā)現(xiàn),為UD-CFRP 1780帕,UD-GFRP復(fù)合材料,分別,如圖7 a和b的接觸壓力分布顯示扁平的高點(diǎn)相比,UD-CFRP UD-GFRP復(fù)合材料。壓力分布的差異是由于(E 22)的彈性模量的碳纖維導(dǎo)向工具為5次運(yùn)動為低玻璃纖維和模量(E11)為1.5倍。在接觸區(qū)纖維壓縮都經(jīng)歷兩個“x”和“y”的方向。碳纖維的有一個較低的壓縮模量(比較緊張),這已經(jīng)被用于計(jì)算。各自的纖維材料特性的有限元模型用于表示在表2。接觸長度、不同纖維方向,

64、是不同的。如圖7(a)和(b)所</p><p>　　比較的接觸壓力和摩擦剪切間分布和UD-GFRP UD-CFRP復(fù)合材料進(jìn)行了90年的情況下纖維取向。這個纖維取向的尖端的工具正常移動節(jié)點(diǎn)纖維和纖維可能滑移就工具。在UD-CFRP復(fù)合兩貼和滑移發(fā)生在tool-fiber接口,盡管在復(fù)合材料粘UD-GFRP只觀察了臨界的剪切應(yīng)力在纖維界面比較矩陣低的“微p”的價(jià)值,在那里“p”是正常的壓力。這一現(xiàn)象都是如此的切削

65、深度擊和前傾角角度。</p><p>　　4.2.2 切削力 </p><p>　　由于刀具接觸力是一個接觸壓力和接觸摩擦剪應(yīng)力的函數(shù)。原則是一個代數(shù)和切削力的力量出資水平分量的接觸壓力和摩擦剪應(yīng)力。同樣的,是一個代數(shù)和驅(qū)動力的組成部分出資垂直力量的接觸壓力和摩擦剪應(yīng)力。切削力大幅提高的原則與增加纖維的取向在一切的深處,都削減。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,觀察略微下降原理與切削力增加所有纖維方向角,切成

66、兩UD-CFRP深處,UD-GFRP復(fù)合材料。在數(shù)值模擬中的這些變化由于在切削力變化角可能只會注意到大于纖維取向45人。這些差異主要是由于更大的區(qū)域,因此縮進(jìn)的纖維彎曲,包在工具為了保持邊緣的纖維。但低于區(qū)域最大主應(yīng)力的碳纖維抗壓而成為他們依然在玻璃纖維拉伸,如圖10。這是由于不同的彈性模塊碳纖維之間,和玻璃纖維橫觀各向同性是各向同性。應(yīng)力的大小的正面也取決于纖維的粘結(jié)在陶瓷纖維接口。如果鍵是完美的,而沒有供應(yīng)之間的纖維和基體產(chǎn)生存在然

67、后拉伸主應(yīng)力玻璃纖維在正面是1.4的Gpa上方的工具側(cè)切平面和延長到10 lm低于切平面。然而,如果粘性的元素可用來代表脫粘,該應(yīng)力降低到0.7的GPa。觀察到相似的趨勢是碳纖維。這減少最大主應(yīng)力可歸咎于廣泛的脫粘,它出現(xiàn)在陶瓷纖維纖維界面的正面,相似</p><p>　　提供了一種應(yīng)力分布來顯示能重視破裂的部位。然而,很難決定實(shí)際的裂紋的路徑是通過纖維。柴[26]這本書中他在實(shí)驗(yàn)中對聚碳酸酯在玻璃膜基體裂紋開始

68、觀察前表面遠(yuǎn)離接觸或背部表面硬度計(jì)壓頭下方。在沒有任何實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對纖維斷裂的萌生和擴(kuò)展在凹坑估計(jì)由于光纖故障發(fā)生時(shí)最大壓主應(yīng)力超過纖維的抗壓強(qiáng)度與最大主應(yīng)力超過由于纖維的拉伸強(qiáng)度。第一次失敗與粉碎而第二與纖維拉伸開裂。作為工具走向纖維,誘導(dǎo)出的最大拉伸主要強(qiáng)調(diào)纖維(背面)高到可以導(dǎo)致的纖維失效。背面的裂紋面生長前鋒,但可能經(jīng)歷纖維屏蔽由于壓應(yīng)力在接觸區(qū)域。同時(shí)在纖維中最大主應(yīng)力(前面)也拉就離開,兩邊的接觸區(qū)域。然而,這些應(yīng)力小于故障纖維

69、的強(qiáng)度。最大主壓應(yīng)力下硬度計(jì)測試壓頭過。這些壓力的大小與最大拉伸應(yīng)力,在碳纖維是大約1.5倍玻璃纖維?？箟汉涂估瓘?qiáng)度是碳纖維的抗壓強(qiáng)度相同而玻璃纖維是大約五倍的抗拉強(qiáng)度。在UD-CFRP°在90°纖維取向,無論是接合是完美,或者不完美,同時(shí)從前線提升失敗和背面的纖維壓應(yīng)力和拉應(yīng)力在這些地區(qū)的失敗幾乎同時(shí)達(dá)到價(jià)值。在UD-GFRP,失敗是由于彎曲應(yīng)力下的元素(f1)和纖維基質(zhì)(m2)界面超過價(jià)值。由失效能因此得出結(jié)論&

70、lt;/p><p>　　4.2.3 應(yīng)力分布</p><p>　　元素失效時(shí)的最大主應(yīng)力的方向與在纖維的軸線方向的負(fù)15°到正20°之間變化，材料在切削深度和前傾角都是顯而易見的。這意味著有可能打破纖維沿平面平行軸光纖橫向,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致芯片形成過程中復(fù)合材料UD-CFRP[4]的復(fù)合材料UD-GFRP[12]。</p><p>　　從很明顯的鐵觀察

71、結(jié)果看得出,工具半徑50 微米邊緣,高硬度合金切削深度和一個不完美的相關(guān)，拉力最大的時(shí)候是35-40微米，主應(yīng)力是最高的在這些平面上,這意味著這么多,纖維長度會一直沒有變化。這似乎證實(shí)了 </p><p>　　王、張[5]的實(shí)驗(yàn)觀察,在大約50個微米處100微米切削深度上他發(fā)現(xiàn)了一個“反彈”。</p><p>　　纖維的取向90

72、76;。以外的運(yùn)動是可以解決的正常和并行工具表面。凹陷為同一水平運(yùn)動的工具是較小的定位減少。并且,當(dāng)纖維表面上滑步工具耙,最大壓應(yīng)力低纖維取向和較低的地點(diǎn)也最大壓應(yīng)力變化表現(xiàn)在不同階段如圖11所示 30°時(shí)纖維取向(h),0.1毫米切削深度(t)和10°的前傾角（γ）的UD-GFRP復(fù)合材料。最大主應(yīng)力的輪廓對這些情況和75°和45°方向都顯示在圖12a和12b,分別。它是觀察到這些無論對復(fù)合材料

73、的彎曲應(yīng)力達(dá)到失敗在壓應(yīng)力值達(dá)到限制值,因此光纖的彎曲破壞機(jī)制成為一個更有優(yōu)勢的纖維取向變化從90°~ 15°。</p><p>　　4.2.4 轉(zhuǎn)接接觸區(qū)</p><p>　　提出了運(yùn)動的工具可以分解為正常和隨纖維軸向運(yùn)動。摘要運(yùn)動以來取決于類型的纖維材料、纖維取向、切削深度、刀具幾何和摩擦系數(shù),這些因素也可能決定程度的滑動。結(jié)果調(diào)整滑模的接觸區(qū)之間的第一個纖維和刀具

74、。</p><p>　　次表層以下工作材料在復(fù)合材料加工過程中切削平面的損害進(jìn)行了研究。無論是在矩陣或損害發(fā)生的界面與掕В之間的力和力矩.這傷害可以在縱向或橫向裂縫的形式，并通過降低彈性性能數(shù)值實(shí)施，是一次屈服應(yīng)力達(dá)成。界面與掕В凝聚力元素允許的萌生和裂紋擴(kuò)展鈥揻iber接口的是observed.Numerical模擬表明沿不同的矩陣，所有的纖維取向，不論刀具前角和切削深度，矩陣損害，而不是界面鑸掕В是亞表面損傷

75、的主要模式。子表面損壞被發(fā)現(xiàn)最多90纖維取向和啟動矩陣（M2）中與工具接觸纖維的背后，甚至在工具接觸矩陣。隨后，界面與掕В發(fā)生纖維（F1）和基質(zhì)（M 1）之間的接口。這兩種模式的損害繼續(xù)，直到結(jié)束的第一個光纖故障和延長切削平面以下。</p><p><b>　　4.2.5 </b></p><p>　　裂紋沿界面?zhèn)鞑?因?yàn)樗鼈兊拈_放模式(Mode-I骨折)以及滑模(M

76、ode-II斷裂)。裂紋前沿的位置為基礎(chǔ)的“Δn”,也稱為裂紋位置或基于開放的Δt ',稱為切割裂紋的位置。時(shí)間對于一個給定的節(jié)點(diǎn),沿著凝聚力的Dn的第一表面變得大于或等于5δn定義裂紋位置，這載荷等于零，并且和+∞時(shí)，極小值Δn=5δn。同樣的,對于一個給定的時(shí)間,以及表面節(jié)點(diǎn)的凝聚力的Δt的第一次成為大于或等于“5δt”定義的切割裂紋的位置。在第一個力-力矩界面作為工具將第一個離開第一個力矩力(力矩以上后,這些飛機(jī)被加工)開

77、放高等纖維取向模式主導(dǎo)(60º75º）,75°和90°雖然剪切模式也很重要。對于較低的纖維取向(15°，30º,45°)模型II更優(yōu)越的模型I相比。這種趨勢是相似的,在這兩個UD-CFRP UD-GFRP復(fù)合材料。界面裂紋尺寸的變化與定位在力(f1)-力矩(m1)接口UD-CFRP和UD-GFRP都顯示在圖10a復(fù)合材料。盡管滑移觀察第二個接口在（f1）和（m2）,滑

78、移的大小小于粘性特征長度元素,因此沒有任何方向裂縫展開在這個接口在兩個UD-CFRP和UD-GFRP復(fù)合材料。</p><p>　　在分析過程中兩個第三力矩模型圖3a和使用中顯示到目前為止,觀察到的大量元素根據(jù)矩陣進(jìn)行損傷破壞準(zhǔn)則,即使在纖維強(qiáng)度達(dá)到了失敗。觀察到工件的矩陣的一種新模式和破壞較大數(shù)量的力矩-力如圖圖3b層制備。這是注意到90°UD-GFRP復(fù)合材料纖維取向,盡管以上剖切平面擴(kuò)展矩陣傷害到

79、第五層矩陣、損壞切平面以下被限制到第三層顯示在圖3b矩陣。比退化的第二層(48微米),潛艇在第三層表面損壞少得多(11微米)。我的傷害,由于矩陣失敗,是最高為90°纖維取向也觀察到其他研究試驗(yàn)[4 - 6、12]。為UD-GFRP復(fù)合材料損傷和UD-CFRP延伸到48微米和30微米,分別低于修剪的飛機(jī)。變異破壞程度低于基體與纖維取向是修飛機(jī)圖15中顯示。無論前傾角和切削深度傷害力增加,從15°方向變化到90°

80、;。在表面損傷due的影響,r前傾角力矩不發(fā)現(xiàn)明顯退化;雖然,損害隨深度的增加切削角所有的傷口。較低的纖維取向(15°、30°和45°)的深度相似矩陣的失敗是兩個復(fù)合材料,但對于纖維取向大于60°、矩陣失敗在UD-GFRP發(fā)展更為迅速UD-CFRP復(fù)合材料相比,復(fù)合材料。</p><p>　　4.2.6 切削成型原理</p><p>　　然而,切削力

81、衡量于接觸壓力和對纖維方向的摩擦剪切,切削深度和切削角。機(jī)構(gòu)失效改變了力的方向,力在90°方向是時(shí),纖維主要是破碎相對彎曲而言。纖維的斷裂是由于和彎曲應(yīng)力組合破碎超過其相應(yīng)的性能的纖維。對于低纖維取向、彎曲效果顯著破碎。晶片長度的變化與纖維取向也即使是同一切削深度,這可能是由于初始接觸點(diǎn)的變化之間的纖維和刀具邊。激光束半徑為50邊緣刀具、初始接觸點(diǎn)是50微米以上剖切平面為90°纖維取向,而只有15°時(shí)僅有6

82、.6 微米纖維取向。這個初步的接觸點(diǎn)也不同于其它纖維取向,這是真正的為所有深處的切割和耙角度。而可以顯示芯片的形成機(jī)理相結(jié)合的一種占主導(dǎo)地位的破碎和拉伸失效的增強(qiáng)纖維和矩陣,雖然各向同性,得到受纖維失敗哪怕是有可能試圖通過剪切變形模式。</p><p>　　4.2.7 比較與分析模型</p><p>　　[9]的分析模型,確定了切削力為疊加在切削力、壓制、跳躍的地區(qū)。除了其它參數(shù)在切削力和

83、壓區(qū)功能纖維取向和力量都依賴救濟(jì)跳躍地區(qū)角度。在跳躍的力量區(qū)域接觸力學(xué)計(jì)算基于楔形閘板和半空間之間。裁剪的力量是大約25%的切削力。從方程式和價(jià)值觀給出常數(shù)[9]的力量在跳躍的地區(qū)表現(xiàn)得出奇的高。在我們的模型并沒有包括卷土重來,需要在將來被。然而,我們看了接觸問題的楔形閘板和有限元方法,對我們的性能力量50 N /毫米(逆)和12.5 N /毫米(切削)。我們沒有做任何屬性降解文獻(xiàn)[9]。這些驅(qū)動力的計(jì)算結(jié)合驅(qū)動力的早些時(shí)候給一個極高的

84、價(jià)值的驅(qū)動力,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了試驗(yàn)推力值。由于我們覺得驅(qū)動力的回升,應(yīng)包括為了更好的模擬雖然把他們當(dāng)作接觸問題的楔形閘板可能不是完全正確。在切削區(qū)域的力量來自晶片耙的臉和剪切。在金屬,該芯片是連續(xù)的。在這里,矩陣經(jīng)過剪切、由于其彈塑性性質(zhì)可以旅行對耙面為90°纖維取向幾乎已轉(zhuǎn)90°,但如何通過纖維旅行對耙面不是很明顯。在一個模型(宏觀力學(xué))記得不能用它做一個沒有面臨這種進(jìn)退兩難的局面。本模型解釋了發(fā)生之前前表面晶片的滑。與

85、金屬不一樣，前表面的晶片可能實(shí)質(zhì)上是不影響切削力的</p><p><b>　　5. 總結(jié)與結(jié)論</b></p><p>　　UD-CFRP和UD-GFRP復(fù)合材料都進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)和仿真。數(shù)學(xué)模型改進(jìn)現(xiàn)有的模型,包括早期的彈塑性力矩、損傷和斷裂力學(xué)剝離力矩為基礎(chǔ)的界面。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值研究提供一個更好的了解切削力的起源、力矩傷害,界面剝離和可能的位置在正交纖維斷裂和UD-G

86、FRP UD-CFRP復(fù)合材料的加工。微機(jī)械的有限元模型是一個更好的表現(xiàn)的材料切削過程相比,由于它加工的遠(yuǎn)離，記得不能用它做了一個模式,。它提供了一個與實(shí)驗(yàn)值吻合很好,切割和驅(qū)動力的兩個材料體系進(jìn)行了研究。接觸壓力隨纖維取向和不受切削深度和角對兩UD-CFRP和UD-GFRP復(fù)合材料。力的方向?yàn)?90 ° UD-CFRP，在 第一個力和第二個力矩的作用下的彎曲和纖維工具界面的破壞是造成纖維斷裂的原因，反之 ，對UD-GFRP

87、而言，彎曲是主要的失效形式. 當(dāng)纖維的方向從 90 °改變到 15°彎曲的增大對兩個材料系統(tǒng)都變得更加重要。 內(nèi)部損傷主要取決于力的方向，對于UD-CFRP 和 UD-GFRP 復(fù)合材料中纖維的取向, 90°時(shí)當(dāng)它都變的最大。并且更多的UD-CFRP和 UD-GFRP復(fù)合材料相比。 碎片形成機(jī)制被支配于破碎和拉伸破壞組合的纖</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b

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