CFRP/Al夹层板磁脉冲冲裁工艺与机理研究

摘要

磁脉冲冲孔是一种基于电磁力加载的新型冲孔技术，其主要特点为冲孔速度高，适用于薄板加工，无污染，是一种绿色制造工艺。CFRP/Al复合板材结合了复合材料高强度、密度小以及金属的抗冲击的优点，是一种性能优异的轻量化材料，在汽车以及航空航天领域应用前景广阔。本文使用磁脉冲冲孔技术对于CFRP/Al夹层板进行制孔，从冲裁间隙、工艺参数、冲裁机理等方面对该制孔技术进行了研究。　　首先对磁脉冲冲孔的冲裁间隙进行了试验研究，对比了不同冲裁间隙下的冲孔质量。试验结果表明增大冲裁间隙使得冲裁力降低。在较小的冲裁间隙下，冲孔产生的碳纤维毛刺较少。铝合金光亮带长度增大，使得孔壁更加平整，粗糙度值降低。并且孔的尺寸精度也得到提升。但间隙值过小，使得碳纤维层之间产生分层损伤。通过分析得出在4%t的冲裁间隙下，冲孔质量较好。　　然后在4%t的冲裁间隙下，探究工艺参数(放电能量)对冲孔质量的影响，并与准静态冲孔进行对比。结果表明磁脉冲冲孔的冲孔效率远高于准静态冲孔，但冲裁力较高，增大放电能量可使冲裁力降低。在较高的放电能量下，冲孔质量得到提升。但当能量增加到7kJ时，由于速度过快使得断裂的纤维被挤压进入纤维层之间形成分层损伤。通过超声C扫描的结果对分层损伤分析得出，磁脉冲冲孔相比于准静态冲孔的分层损伤小得多，并且在6kJ放电能量下的分层损伤最小。　　最后通过ABAQUS/Explicit建立CFRP/Al夹层板磁脉冲冲孔有限元模型，利用该模型对磁脉冲冲孔的板料断裂过程、应力应变以及板料损伤进行分析。结果表明夹层板断裂顺序为上层碳纤维最先断裂，其次是下层碳纤维，最终是铝层发生断裂。分层损伤分析结果显示层间分层沿着厚度方向先增大后减小，影响分层的主要因素是纤维在断裂过程中发生弯曲变形的程度。基于仿真结果，在冲裁机制分析中，将冲孔过程划分为四个阶段，分别对应冲裁力位移曲线的四个波峰。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1 课题研究的意义及背景

1.2 磁脉冲冲孔技术原理

1.3 国内外研究进展

1.3.1 碳纤维材料制孔加工现状

1.3.2 铝合金制孔加工现状

1.3.3 碳纤维/铝合金夹层板制孔技术研究现状

1.4 本课题主要研究内容

第 2 章 冲裁间隙对磁脉冲冲孔质量的影响

2.1 引言

2.2 试验条件

2.2.1 试验材料

2.2.2 试验平台

2.2.3 磁脉冲冲孔工艺实验方案

2.3 冲裁速度与冲裁力分析

2.3.1 测量方法

2.3.2 冲裁速度分析

2.3.3 冲裁力分析

2.4 冲孔质量分析

2.4.1 出入口形貌分析

2.4.2 孔壁微观分析

2.4.3 尺寸精度分析

2.4.4 粗糙度分析

2.5 本章小结

第 3 章 放电能量对磁脉冲冲孔质量的影响

3.1 引言

3.2 冲裁速度与冲裁力分析

3.2.1 冲裁速度分析

3.2.2 冲裁力分析

3.3 冲孔质量分析

3.3.1 出入口形貌分析

3.3.2 孔壁微观分析

3.3.3 尺寸精度分析

3.3.4 粗糙度分析

3.3.5 分层损伤分析

3.4 本章小结

第 4 章 磁脉冲冲孔冲裁机制研究

4.1 引言

4.2 材料本构模型的选取

4.2.1 碳纤维材料的本构模型及失效准则

4.2.2 铝合金的本构模型及失效准则

4.2.3 层间失效与内聚力模型

4.3 数值模型的建立与验证

4.3.1 几何建模

4.3.2 网格划分及单元类型的选择

4.3.3 材料属性赋予

4.3.4 接触与边界条件

4.3.5 数值模型的验证

4.4 数值模拟结果分析

4.4.1 板料断裂过程分析

4.4.2 板料应力分析

4.4.3 板料损伤分析

4.5 冲裁机制分析

4.6 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录 A 攻读学位期间取得的研究成果