石墨烯增强金属基航空复合材料微切削模拟与工艺优化研究

摘要

纳米颗粒增强的金属基纳米复合材料(MMNCs)已在航空航天等领域取得了广泛的应用。近年来，随着石墨烯(Graphene)的最新应用，其优异的力学和物理特性，使石墨烯有望成为金属基纳米复合材料的理想增强体。本文通过建立石墨烯增强金属基纳米复合材料(Gr-MMNCs)的二维正交微切削有限元模型，研究这种新兴纳米复合材料的切削加工性能。
　　切削加工过程是一个复杂的动态过程，材料处于高应变、高应变率和高温的状态，涉及到材料的高度非线性塑形变形和断裂失效等一系列复杂的现象。因此，本文针对这一新型材料的本构模型、断裂失效模型、摩擦模型和有限单元网格划分技术等方面进行了仔细的研究，以期建立完备的有限元模型来更好地模拟复杂的切削动态塑性变形过程。在有限元建模中，为了更好的模拟真实情况下石墨烯增强体在金属基体中位置和方向的双随机离散分布，本文开发了石墨烯的随机分布算法，并基于Python语言编制了ABAQUS二次开发程序，实现了二维正交切削有限元模型的自动快速建模。通过与实验结果的对比，验证了微观有限元模型的可靠性。
　　基于有限元算例仿真结果，研究了各个加工工艺参数分别对平均切削力的影响效应。然后，借助数学统计工具，采用多因素分析方法定量的分析比较各参数对切削力的影响效应。结果表明，石墨烯增强金属基纳米复合材料微切削加工过程中，影响切削力的最显著性参数是切削层厚度，其次是石墨烯的平均尺寸和质分比参数。基于多因素分析的结果，得到Gr/Mg复合材料的加工优化策略。同时，基于影响切削力的显著性参数我们还得到了预测平均切削力的经验模型公式，可以进行给定条件的切削力预测。

目录

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致谢

摘要

插图和附表清单

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 Gr-MMNCs力学性能研究

1．2．2 金属基复合材料切削加工实验研究

1．2．3 金属基复合材料虚拟加工研究

1．3 本文主要工作与研究意义

1．3．1 研究目标与内容

1．3．2 研究意义

2 切削加工有限元仿真基础

2．1 二维正交切削模型

2．2 材料本构模型的确立

2．3 材料失效与断裂模型的确定

2．4 界面摩擦模型

2．5 单元网格划分及类型选择

2．6 量纲系统

2．7 本章小结

3 石墨烯增强金属基复合材料徼切削模拟

3．1 Gr-MMNCs有限元建模方法

3．1．1 金属基体的有限元建模

3．1．2 石墨烯增强体的有限元建模

3．1．3 增强体与基体间的界面处理

3．2 有限元自动化建模程序

3．3 有限元切削模型间接实验验证

3．3．1 纯镁金属有限元切削模型的实验验证

3．3．2 SiC-MMNCs和Gr-MMNCs的可比性实验验证

3．3．3 Gr-MMNCs静力拉伸实验验证

3．4 材料参数与加工工艺参数

3．5 基于有限元结果的单因素分析

3．5．1 单因素分析的算例方案设计

3．5．2 影响参数的单因素分析

3．6 本章小结

4 切削力影响参数的多因素分析

4．1 复因子试验简介

4．2 复因子试验方案设计

4．3 切削力的回归模型分析

4．4 切削力影响因素的显著性检验

4．5 Gr／Mg复合材料的切削加工工艺优化策略

4．6 本章小结

5 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

附录

作者简历