高模量碳纤维增强复合材料激光切割技术研究

摘要

随着空间技术的发展，卫星结构轻量化设计要求越来越高，高模量碳纤维增强复合材料由于其大比模量及高比强度等优越的性能，成为卫星主次结构的首选材料。然而，高模量碳纤维增强复合材料加工性能较差，目前主要采用传统机械加工方式。这种加工方式效率低、成本高，加工质量差，限制了高模量碳纤维增强复合材料的应用，为了解决这个问题，本文对高模量碳纤维增强复合材料的激光切割性能进行了研究。
　　结合碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic，CFRP）的结构特点分别针对红外激光和紫外激光与碳纤维增强复合材料的相互作用过程进行了分析，研究了加工过程中材料的去除方式；分析了脉冲激光的切割原理。
　　为了研究激光参数对加工质量的影响规律，应用 ANSYS 有限元软件对碳纤维增强复合材料进行了激光打孔温度场仿真分析。建立了激光热源模型、碳纤维增强复合材料的几何模型、加工的边界条件，通过不同的热源加载，研究了激光参数对孔深、孔径以及热影响区的影响，并通过实验验证了模型的正确性。
　　确定了激光切割高模量CFRP切割质量的评价指标，分别针对红外激光和紫外激光对高模量碳纤维增强复合材料进行激光切割工艺试验研究。研究了扫描方向、激光频率、脉冲宽度、扫描速度、单脉冲能量、辅助气体压力对红外激光切割质量包括切缝宽度、锥度、热影响区宽度的影响规律；研究了功率、扫描速度、扫描方向对紫外激光切割质量包括切缝宽度及锥度的影响规律。
　　为提高红外激光切割高模量碳纤维增强复合材料的质量，本文针对频率、脉冲宽度、扫描速度、单脉冲能量、辅助气体压力五个因素规划并进行五因素五水平响应曲面实验，分析了各参数之间的交互作用，并分别针对获取最小热影响区、最窄缝宽进行了工艺参数优化，并对优化结果进行了实验验证，获取了较高的加工质量。

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第1章 绪 论

1.1课题来源

1.2课题研究的背景和意义

1.3.国内外研究现状

1.4本课题研究的主要内容

第2章 激光与高模量CFRP作用过程研究

2.1 引言

2.2 CFRP结构特点及材料属性

2.3激光与高模量CFRP相互作用过程

2.4脉冲激光切割原理

2.5本章小结

第3章 高模量CFRP激光打孔有限元仿真分析

3.1 引言

3.2激光打孔温度场分析有限元模型的建立

3.3高模量CFRP激光打孔有限元仿真

3.4仿真验证

3.5本章小结

第4章 高模量CFRP激光切割工艺试验

4.1 引言

4.2 试验材料及设备

4.3激光切割切缝质量评价指标

4.4 单因素试验结果及分析

4.5本章小结

第5章 基于响应曲面法的高模量CFRP红外激光切割工艺优化

5.1 引言

5.2响应曲面法简介

5.3响应曲面实验方案设计与实验结果

5.5工艺参数优化及实验验证

5.6本章小结

结论

参考文献

声明

致谢