CFRP钻削入口撕裂损伤分析及控制

• 作 者: 唐文亮
• 出 处: 南京航空航天大学
• 发表日期: 2018年01期
• 关键词: 碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP) 入口撕裂损伤 有限元分析 失效机理 损伤控制

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)作为一种先进的复合材料,因其优异的机械性能被广泛应用于航空航天、汽车等领域。不同于传统的金属材料,CFRP多相各向异性的特点,使得其制孔过程中材料去除行为更为复杂,同时很容易出现入口撕裂和出口分层等加工问题。发展复合材料低损伤加工技术,深入研究CFRP制孔缺陷形成机理,优化复合材料制孔工艺对助飞我国大飞机事业具有重要的理论意义和应用价值。然而,现阶段对CFRP入口撕裂形成机理仍然缺乏深刻的认识,导致CFRP入口撕裂无法得到有效的控制,甚至造成零件的报废。有鉴于此,本文采用实验与仿真结合的方法,开展CFRP钻削入口撕裂损伤有限元仿真分析和试验控制研究。本文主要研究工作与取得的成果如下:(1)首先明确了运用ABAQUS软件进行三维多相细观仿真的有限元分析方案,分别定义了纤维弹脆性本构、基体弹塑性本构以及EHM各向异性线弹性本构,重点分析了横观各向同性纤维的材料本构并通过VUMAT子程序进行了定义,最后建立了CFRP入口撕裂损伤有限元模型,输出了纤维切削角θ=0°,θ=45°,θ=90°,θ=135°的有限元仿真结果。同时开展CFRP钻削试验,验证了仿真模型的正确性。(2)基于四种典型纤维切削角下的入口撕裂损伤有限元模型,首先对材料细观去除过程和入口撕裂形成过程进行了分析,明确了不同纤维切削角下的纤维失效方式和撕裂扩展形式。另外,分析了缺陷形成过程中切削力特征以及入口撕裂微观形貌,对引起入口撕裂损伤的掀起剥离力进行了预测。最后阐明了每转进给量、切削速度以及钻头螺旋角、顶角对入口撕裂形成的影响。(3)以仿真分析中研究的各参数对入口撕裂损伤的影响规律为基础,首先从钻削加工参数和刀具几何参数两个方面开展了损伤控制试验,对比了不同主轴转速、每转进给量、钻头螺旋角和顶角下的入口撕裂损伤,对损伤进行了初步控制。最后设计并开展了三因素四水平正交试验研究,以入口撕裂因子为评价指标,优选并验证了最优参数方案,实现了对CFRP钻削入口撕裂损伤的控制。