碳纤维增强树脂基复合材料宏细观切削过程仿真

摘要

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)是一种先进的复合材料，由于其具有优异的力学性能，被广泛应用在各行各业。但由于CFRP结构上的特殊性，在细观上呈纤维与树脂的混合态，宏观上呈各向异性等特点，使得加工碳纤维复合材料构件容易出现分层、毛刺、撕裂等各种损伤。与传统金属切削不同，切削CFRP是刀具与纤维树脂等组成相相互作用的过程，这导致CFRP去除过程非常复杂。因此，为了避免损伤的出现，提高加工质量，需要对碳纤维复合材料的去除机理有更进一步的认识。实验、理论与数值模拟是研究CFRP切削的三种重要手段，其中，有限元技术已经越来越多的应用到切削仿真领域。本文将利用仿真模拟与实验验证相结合的方法，揭示CFRP切削过程的去除机理。由于CFRP具有跨尺度、各向异性特点，切削CFRP是一个从细观局部破坏到宏观切屑形成的去除过程，因此本文将从细观和宏观两个尺度对CFRP的去除机理进行研究。
　　为了揭示CFRP细观层面的局部破坏，本文建立了包含纤维、基体、界面等组成相并考虑各自材料本构、失效及演化准则在内的多相态细观仿真模型。其中，完整考虑了CFRP细观组成特点，建立了包含纤维相、基体相、界面相等组成相的多相态几何模型，并对参与切削的区域进行局部细化，以提高计算效率。在材料方面，不同的组成相分别使用了不同的材料本构、损伤起始以及损伤演化准则。其中，纤维相为线弹性本构，采用Hashin失效准则。树脂则采用弹塑性本构模型和剪切失效。界面使用内聚力Cohesive单元模拟界面行为。在此基础上，本文建立了典型纤维角度的细观切削模型，可以实现纤维基体局部破坏的仿真模拟。
　　为了研究不同切削参数对宏观成屑及切削力的影响，本文建立了基于等效均质方法的CFRP三维宏观切削仿真模型。由于有限元软件没有提供CFRP三维失效准则，因此，本文利用ABAQUS提供的VUMAT子程序接口，对CFRP材料模型进行二次开发。自定义了包含三维线弹性本构、三维Hashin失效准则、以及损伤演化准则材料模型，以完整描述切削过程中的材料响应历程。并考虑到切削过程中材料有残余刚度，因此引入了最大刚度退化系数，使CFRP有一定的刚度残余。不同纤维角度下刀具与工件的摩擦系数不同，因此接触模型为库伦摩擦，摩擦系数随纤维角度变化。在此基础上，模拟了三维宏观切削CFRP单向板的过程，得到CFRP宏观成屑规律。
　　本文建立了细观切削仿真模型和宏观切削仿真模型，并设计了显微观测实验验证了模型的正确性，得到了碳纤维复合材料从细观局部破坏到宏观切屑形成的材料去除机理。以切削0°纤维为例:切削0°CFRP时以界面开裂，纤维弯断为主，切屑成片状，切削力和面下损伤都相对较小。其中细观模型可以得到纤维/基体断裂、界面开裂及演化等局部破坏过程。宏观模型则可以从宏观层面模拟CFRP切削连续成屑，得到切削力随不同切削参数以及纤维角度的变化规律，并对面下损伤深度进行了预测，为优化切削参数和刀具角度提供参考。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 CFRP仿真切削研究现状

1．2．1 CFRP细观切削仿真研究现状

1．2．1 CFRP宏观切削仿真研究现状

1．3 本课题来源及背景

1．4 本文研究内容

2 CFRP特点及损伤演化理论

2．1 碳纤维增强树脂基复合材料特点

2．2 CFRP本构模型及损伤演化理论

2．2．1 CFRP线弹性本构模型

2．2．2 CFRP起始失效准则

2．2．3 CFRP损伤演化理论

2．3 本章小结

3 二维细观破坏机理仿真切削与实验验证

3．1 CFRP细观仿真切削建模

3．1．1 几何建模及边界条件

3．1．2 材料模型定义

3．2 实验设计及模型验证

3．2．1 直角切削实验设计

3．2．2 显微观测模块设计

3．3 材料细观破坏

3．3．1 材料细观失效破坏及演化

3．3．2 切削力

3．4 本章小结

4 三维宏观切削仿真与实验验证

4．1 三维宏观切削仿真模型

4．1．1 几何模型及边界条件

4．1．2 材料模型

4．1．3 接触模型

4．2 CFRP三维仿真切削模型验证

4．2．1 宏观成屑过程

4．2．2 切削力

4．3 面下损伤预测

4．3．1 切深对面下损伤的影响

4．3．2 圆弧半径对面下损伤的影响

4．3．3 刀具前角对面下损伤的影响

4．3．4 网格大小对面下损伤的影响

4．4 宏细观切削过程仿真分析对比

4．4．1 宏观切屑形成过程

4．4．2 宏细观切削力

4．4．3 宏细观建模对比

4．5 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢