碳纖維增強樹脂基復合材料宏細觀切削過程仿真.pdf

1、碳纖維增強樹脂基復合材料(CFRP)是一種先進的復合材料，由于其具有優(yōu)異的力學性能，被廣泛應用在各行各業(yè)。但由于CFRP結構上的特殊性，在細觀上呈纖維與樹脂的混合態(tài)，宏觀上呈各向異性等特點，使得加工碳纖維復合材料構件容易出現(xiàn)分層、毛刺、撕裂等各種損傷。與傳統(tǒng)金屬切削不同，切削CFRP是刀具與纖維樹脂等組成相相互作用的過程，這導致CFRP去除過程非常復雜。因此，為了避免損傷的出現(xiàn)，提高加工質量，需要對碳纖維復合材料的去除機理有更進一步的認

2、識。實驗、理論與數(shù)值模擬是研究CFRP切削的三種重要手段，其中，有限元技術已經(jīng)越來越多的應用到切削仿真領域。本文將利用仿真模擬與實驗驗證相結合的方法，揭示CFRP切削過程的去除機理。由于CFRP具有跨尺度、各向異性特點，切削CFRP是一個從細觀局部破壞到宏觀切屑形成的去除過程，因此本文將從細觀和宏觀兩個尺度對CFRP的去除機理進行研究。
　　為了揭示CFRP細觀層面的局部破壞，本文建立了包含纖維、基體、界面等組成相并考慮各自材料本

3、構、失效及演化準則在內的多相態(tài)細觀仿真模型。其中，完整考慮了CFRP細觀組成特點，建立了包含纖維相、基體相、界面相等組成相的多相態(tài)幾何模型，并對參與切削的區(qū)域進行局部細化，以提高計算效率。在材料方面，不同的組成相分別使用了不同的材料本構、損傷起始以及損傷演化準則。其中，纖維相為線彈性本構，采用Hashin失效準則。樹脂則采用彈塑性本構模型和剪切失效。界面使用內聚力Cohesive單元模擬界面行為。在此基礎上，本文建立了典型纖維角度的細觀

4、切削模型，可以實現(xiàn)纖維基體局部破壞的仿真模擬。
　　為了研究不同切削參數(shù)對宏觀成屑及切削力的影響，本文建立了基于等效均質方法的CFRP三維宏觀切削仿真模型。由于有限元軟件沒有提供CFRP三維失效準則，因此，本文利用ABAQUS提供的VUMAT子程序接口，對CFRP材料模型進行二次開發(fā)。自定義了包含三維線彈性本構、三維Hashin失效準則、以及損傷演化準則材料模型，以完整描述切削過程中的材料響應歷程。并考慮到切削過程中材料有殘余剛度

5、，因此引入了最大剛度退化系數(shù)，使CFRP有一定的剛度殘余。不同纖維角度下刀具與工件的摩擦系數(shù)不同，因此接觸模型為庫倫摩擦，摩擦系數(shù)隨纖維角度變化。在此基礎上，模擬了三維宏觀切削CFRP單向板的過程，得到CFRP宏觀成屑規(guī)律。
　　本文建立了細觀切削仿真模型和宏觀切削仿真模型，并設計了顯微觀測實驗驗證了模型的正確性，得到了碳纖維復合材料從細觀局部破壞到宏觀切屑形成的材料去除機理。以切削0°纖維為例:切削0°CFRP時以界面開裂，纖維