基于ABAQUS的芳纶纸蜂窝直刃刀超声切削过程有限元模拟研究

摘要

NOMEX蜂窝复合材料由于其优良特性，在航天航空、船舶、汽车等领域被广泛应用。NOMEX蜂窝复合材料是一种多孔固体结构的纤维复合材料，具各向异性的特点。蜂窝芯材料制作完成后，为了满足装配、连接等要求，大多数情况下需要进行切削加工，但复合材料的结构特殊，切削加工存在一定的难题。利用传统的加工方式加工蜂窝复合材料时，容易导致基体开裂、压塌、毛刺、外形缺陷等加工缺陷。超声振动切削加工技术因其能提供更有效和更精确的加工手段，而在难加工的复合材料领域被广泛应用，极大促进了NOMEX蜂窝复合材料在各行各业的发展。虽然超声切削技术是加工NOMEX蜂窝复合材料的可靠有效的加工手段，但是由于各方面都还处于初级水平阶段，严重制约了NOMEX蜂窝复合材料部件的研发和生产。因此，为了优化加工工艺，提高加工水平，加速我国航空航天以及国防事业的发展，就必须对切削力、材料破损机理等进行深入研究。目前，有关蜂窝材料切削加工的分析还处于通过实验经验摸索的阶段。然而，超声切削过程的三维有限元模拟方法已经成为时代发展的动向。针对此种现状本文开展了基于ABAQUS的芳纶纸蜂窝超声切削过程有限元模拟研究，主要研究工作和成果如下：
　　(1)结合多孔固体的特性分析了 NOMEX蜂窝材料的相对密度，然后结合正交各向异性材料的性能，分析了NOMEX蜂窝复合材料的等效弹性参数和泊松比，同时研究了将NOMEX蜂窝材料应用于数值分析时的本构力学性能。
　　(2)分析了ABAQUS/Explicit显式动力学分析的特性，系统研究了有限元分析方法中NOMEX蜂窝复合材料直刃刀超声切削过程的材料本构关系，刀-屑摩擦特性，材料失效准则等关键技术，分析了超声切削过程的有限元方法使用 ALE算法的必要性，同时研究了复合的超声振动使用有限元软件的实现方法。
　　(3)利用 ABAQUS/Explicit软件构建了直刃刀超声切削 NOMEX蜂窝复合材料的三维切削模型，模拟了NOMEX蜂窝复合材料的切削过程。并分别使用结构仿真模拟三维模型和等效实体仿真模拟三维模型对相同加工条件下的 NOMEX蜂窝复合材料进行了直刃刀超声切削仿真模拟，对比了2种不同模型各自的特点与仿真切削力力和基体断裂破坏过程。
　　(4)通过单因素与正交切削实验，分别改变材料切削加工方向、直刃刀刀具前倾角及直刃刀刀具摆角三个参数，研究了切削参数对切削力的影响，同时对有限元仿真结果中的切削力、基体断裂破坏过程等进行了实验验证，验证了切削模型的可行性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本课题主要研究内容

1.4本章小结

第二章 NOMEX蜂窝的本构力学性能及超声加工特性分析

2.1 引言

2.2 NOMEX蜂窝的弹塑性力学性能

2.3 直刃刀超声加工NOMEX蜂窝特性

2.4 本章小结

第三章 超声切削加工过程有限元模拟理论及其关键技术

3.1 引言

3.2 切削加工有限元模拟基本理论

3.3 切削加工过程仿真的关键技术

3.4 超声振动技术实现方法

3.5 本章小结

第四章 NOMEX蜂窝直刃刀超声切削过程有限元模拟与分析

4.1 引言

4.2 基于蜂窝材料结构模型的切削过程仿真

4.3 基于蜂窝材料等效实体模型的切削过程仿真

4.4 两种仿真结果分析与比较

4.5 本章小结

第五章 NOMEX蜂窝直刃刀超声切削实验研究

5.1 引言

5.2 实验条件

5.3 实验方案设计

5.4 实验结果及分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录