基于Deform的CFRP铣削过程仿真、参数优化及试验研究

摘要

碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics，简称CFRP)相较于传统的钢铁来说密度小、加上CFRP的比模量、比强度高、耐腐蚀性好、抗疲劳能力突出、减振效果以及可设计性优于传统材料，在国防领域、航空航天领域、交通、医疗、军事等领域的应用前景广阔。但是，由于CFRP加工知识的缺乏，导致市面上的CFRP制品的品种少、质量也不高，因此，采用新的手段来研究CFRP的加工方法，丰富CFRP的相关加工知识是当前切削加工的一个研究热点，对于能否成功在科研、生产中大范围应用CFRP具有战略意义。
　　本文以CFRP为研究的对象，以CFRP相关切削机理和有限元分析理论为基础，采用工艺仿真软件Deform创建CFRP的3D铣削模型，采用单因素法模拟了CFRP的铣削情况，分析了铣削力、表面应力、铣削温度、CFRP的表面加工质量以及刀具的磨损情况；采用Isight软件对CFRP进行基于多目标的参数优化分析；最后对CFRP进行与模拟方案以及优化方案一致的铣削试验，与模拟进行对比，证明了模拟和优化的可靠性，说明了采用数值模拟方法来研究CFRP的铣削加工是完全可行的。本文的主要研究内容和成果如下：
　　1.探讨了CFRP的材料特性、切削机理和加工缺陷，研究了影响切削力的因素，研究了CFRP有限元分析的建模理论以及有限元建模的关键技术。为具体采用有限元分析软件求解 CFRP的铣削情况奠定了理论基础。
　　2.通过工艺系统仿真软件Deform建立了CFRP材料本构模型以及3D铣削有限元模型，模拟了碳纤维复合材料的三维动态铣削过程；采用单因素法分别改变主轴转速n、进给量f、背吃刀量a p、径向切深ae、刀具材料，分析了各因素对CFRP铣削过程中X、Y、Z三个方向的铣削力、铣削温度、工件表面应力、刀具磨损、工件表面的加工质量的影响，得到结论：当采用PCD刀具时、在高的主轴转速、较低进给量、较高的背吃刀量以及较大的径向切深时，得到的铣削力、铣削温度以及工件的表面应力较低，并且刀具的磨损较轻，工件的表面加工质量良好同时加工效率有一定的提高。
　　3.采用多目标优化软件Isight进行参数优化，以主轴转速n、进给量f、背吃刀量a p、径向切深ae为初始设计变量，采用正交试验设计法进行试验设计并采集足够的样本点，之后采用响应面法建立近似模型并对响应面模型进行交互式影响分析，分析设计变量对响应模型的主效应，最后对响应面模型进行精度检测以及误差分析，显示检测合格。用AMGA存档微遗传算法对设计变量进行多目标优化分析，找到最优解，优化后，铣削力Fy、Fz和铣削温度T有所下降，实现了优化的目的。
　　4.在数控加工中心上进行铣削试验，试验的方案与模拟方案和优化方案相同。通过VHX-1000C型超景深显微镜对CFRP试样进行表面形貌的观察，将铣削试验的观测结果与模拟结果进行对比分析。结果显示，铣削试验的观测结果同有限元模拟结果的吻合度较高。采用优化方案进行铣削试验，观察表面形貌，将铣削试验的观测结果与有限元模拟的结果进行对比分析。结果显示，采用优化方案进行CFRP铣削试验得到的表面质量有一定的提高。最终得到结论，CFRP铣削有限元模型具有较高的可信度，并且参数优化的结果可行，说明通过有限元模拟的方法进行CFRP铣削模拟是完全可行的，对生产实践具有一定的参考意义。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 选题的背景和意义

1.2 碳纤维复合材料切削加工的国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容及技术路线

第二章 碳纤维复合材料的切削机理及有限元分析理论基础

2.1 碳纤维复合材料切削机理的研究

2.2 切削力的影响因素

2.3 切削过程有限元基本原理

2.4 碳纤维复合材料切削有限元建模的关键技术

2.5 本章小结

第三章 碳纤维复合材料切削过程有限元模拟与分析

3.1 Deform软件介绍及有限元分析流程

3.2 碳纤维复合材料三维切削过程的模拟与分析

3.3 铣削参数对铣削过程的影响

3.4 本章小结

第四章 碳纤维复合材料铣削参数的优化

4.1 多目标优化基本理论

4.2 试验设计方法选择

4.3 试验样本点采集

4.4 近似模型方法及近似模型的建立

4.5 碳纤维复合材料的铣削参数多目标优化分析

4.6 本章小结

第五章 碳纤维复合材料铣削试验验证

5.1 试验条件

5.2 试验方案以及试验结果分析

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文