單層碳纖維復(fù)合材料激光切割過程的數(shù)值模擬.pdf

1、碳纖維復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastics, CFRP）是一種以樹脂為基體，碳纖維為增強相，兼具兩者優(yōu)良性能的先進復(fù)合材料。CFRP具有輕質(zhì)高強、抗疲勞特性好、可設(shè)計性好等一系列優(yōu)點，廣泛地應(yīng)用與在航空航天、汽車、風(fēng)力發(fā)電、體育用品等領(lǐng)域。激光切割由于加工效率高、切縫窄、無切削力等，被認為是高效、高質(zhì)量加工CFRP的一種加工方式，有廣闊的發(fā)展前景。
　　由于CFRP中碳纖維和樹脂在物理性能上存

2、在差異，是典型的各向異性的材料，所以其激光切割過程比較復(fù)雜，與各向同性材料相比具有很大不同。以單層CFRP為研究對象，分別建立了絲-束直徑比例三維模型、樹脂-纖維兩相三維模型、典型碳纖維鋪設(shè)角度及樹脂含量的單層CFRP三維模型，對單層CFRP激光同向和多向切割過程進行了數(shù)值模擬，為多層多鋪設(shè)角度CFRP的激光切割提供理論和試驗依據(jù)。主要內(nèi)容及結(jié)果如下：
　?。?）針對小光斑直徑激光光源切割單層CFRP時，碳纖維直徑與激光光斑直徑的

3、比例關(guān)系，建立絲-束直徑比例（設(shè)為k）分別為1:1、1:2、1:5、1:10的單絲排列三維有限元模型。分析激光同向切割過程中，材料的溫度場、橫截面溫度梯度等，隨著k減小，熱影響區(qū)寬度減小、最高溫度升高、溫度梯度增大；大光斑直徑激光切割CFRP，k<1:10時，可將CFRP作為勻質(zhì)復(fù)合材料處理。考慮樹脂與纖維的空間排布關(guān)系，對幾何模型進一步優(yōu)化，建立樹脂-纖維兩相三維模型，分析表面樹脂和內(nèi)部纖維溫度場，橫截面溫度變化曲線，研究材料吸收和傳

4、遞激光能量過程，揭示表面熱影響區(qū)的形成機理。
　?。?）進行單層 CFRP激光同向切割試驗，根據(jù)數(shù)值模擬中絲-束直徑比例，分別對表面碳纖維燒蝕整體寬度和熱影響區(qū)整體寬度數(shù)據(jù)進行擬合，擬合曲線趨于穩(wěn)定。擬合曲線在試驗絲-束直徑比例下，對應(yīng)的表面碳纖維燒蝕整體寬度誤差3.37%、熱影響區(qū)整體寬度誤差1.92%。
　　（3）分別考慮典型碳纖維鋪設(shè)角度和樹脂含量，建立單層CFRP三維模型，通過數(shù)值模擬激光多向切割過程溫度場和冷卻時溫