单层碳纤维复合材料激光切割过程的数值模拟

摘要

碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastics, CFRP）是一种以树脂为基体，碳纤维为增强相，兼具两者优良性能的先进复合材料。CFRP具有轻质高强、抗疲劳特性好、可设计性好等一系列优点，广泛地应用与在航空航天、汽车、风力发电、体育用品等领域。激光切割由于加工效率高、切缝窄、无切削力等，被认为是高效、高质量加工CFRP的一种加工方式，有广阔的发展前景。
　　由于CFRP中碳纤维和树脂在物理性能上存在差异，是典型的各向异性的材料，所以其激光切割过程比较复杂，与各向同性材料相比具有很大不同。以单层CFRP为研究对象，分别建立了丝-束直径比例三维模型、树脂-纤维两相三维模型、典型碳纤维铺设角度及树脂含量的单层CFRP三维模型，对单层CFRP激光同向和多向切割过程进行了数值模拟，为多层多铺设角度CFRP的激光切割提供理论和试验依据。主要内容及结果如下：
　　（1）针对小光斑直径激光光源切割单层CFRP时，碳纤维直径与激光光斑直径的比例关系，建立丝-束直径比例（设为k）分别为1:1、1:2、1:5、1:10的单丝排列三维有限元模型。分析激光同向切割过程中，材料的温度场、横截面温度梯度等，随着k减小，热影响区宽度减小、最高温度升高、温度梯度增大；大光斑直径激光切割CFRP，k<1:10时，可将CFRP作为匀质复合材料处理。考虑树脂与纤维的空间排布关系，对几何模型进一步优化，建立树脂-纤维两相三维模型，分析表面树脂和内部纤维温度场，横截面温度变化曲线，研究材料吸收和传递激光能量过程，揭示表面热影响区的形成机理。
　　（2）进行单层 CFRP激光同向切割试验，根据数值模拟中丝-束直径比例，分别对表面碳纤维烧蚀整体宽度和热影响区整体宽度数据进行拟合，拟合曲线趋于稳定。拟合曲线在试验丝-束直径比例下，对应的表面碳纤维烧蚀整体宽度误差3.37%、热影响区整体宽度误差1.92%。
　　（3）分别考虑典型碳纤维铺设角度和树脂含量，建立单层CFRP三维模型，通过数值模拟激光多向切割过程温度场和冷却时温度场，分析碳纤维铺设角度对材料热影响区形状及整体宽度的影响，稳定切割或者无热源作用时，温度沿纤维铺设方向传递；激光烧蚀前沿能量传递受激光切割方向影响。树脂含量50%与30%的温度场宽度降低了17.24%，随树脂含量增加，最高温度逐渐增大，温度场宽度和最高温度的变化是近似线性的。
　　（4）进行激光多向切割单层CFRP试验，数值模拟与试验相比，表面碳纤维烧蚀宽度和热影响区整体宽度平均误差分别为10.66%和13.09%。

目录

声明

1绪论

1.1碳纤维复合材料简介

1.2 激光切割技术概述

1.3 碳纤维复合材料激光切割的研究现状

1.4 存在问题及课题的提出

1.5 论文的主要工作

2 单层CFRP激光切割基本原理及建模

2.1 单丝排列CFRP与单层和多层CFRP的关系

2.2 ANSYS布尔运算和单元坐标系

2.3 激光切割的热传递理论

2.4 有限元模型建立

2.5本章小结

3 单层CFRP激光同向切割的数值模拟

3.1 丝-束直径比例模型的数值模拟结果与讨论

3.2 树脂-纤维两相模型的数值模拟结果与讨论

3.3单层CFRP激光同向切割试验验证

3.4 本章小结

4 单层CFRP激光多向切割的数值模拟

4.1 激光切割典型碳纤维铺设方向单层CFRP数值模拟

4.2 激光切割不同树脂含量的单层CFRP数值模拟

4.3单层CFRP激光多向切割试验验证

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢