单层CFRP激光同方向切割的温度场数值模拟

来源 :激光与光电子学进展 | 被引量 : 0次 | 上传用户:chinagood111
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为了揭示激光切割碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics, CFRP)时,材料对激光能量的吸收、传递机理,建立了激光沿碳纤维 0°铺设方向切割单根碳纤维紧密排列成一层(即单丝排列)CFRP三维有限元模型。与一般用物性参数平均法将 CFRP 描述为匀质复合材料不同,根据单根碳纤维直径与激光束光斑直径之间的比例(丝-束直径比例,设为 k)分别为 1:1、1:2、1:5,和实际情况中碳纤维-树脂两种材料共存,分别建立了三维的丝-束直径比例模型和纤维-树脂两相模型,由模拟结果的温度场分析激光切割单丝排列碳纤维时的能量的吸收、传递过程。本模型能够有效模拟不同丝-束直径比例关系下,激光切割单丝排列 CFRP 的温度场,用于预测激光切割单层 CFRP 的切缝宽度和热影响区大小。数值模拟表明,丝‐束直径比例 k 减小,切缝宽度从 229.45μm 下降到 95.60μm ;HAZ 大小从 172.08μm 下降到 156.79μm。试验验证数据与模拟数据曲线拟合基本一致,切缝宽度和 HAZ 误差分别为 5.97%和 1.13%。 In order to reveal the mechanism of laser energy absorption and transmission in laser cutting of carbon fiber reinforced plastics (CFRP), a laser cutting technique was developed to cut single carbon fibers along the 0 ° direction of carbon fiber to form a single layer (ie, monofilament arrangement) CFRP three-dimensional finite element model. CFRP is described as a homogeneous composite material in contrast to the general physical property parameter averaging method, which is 1: 1, 1: 1, respectively, based on the ratio of single carbon fiber diameter to laser beam spot diameter (wire- 2 and 1: 5, and the actual situation of carbon fiber - resin coexistence of two materials, respectively, to establish a three-dimensional silk - beam diameter ratio model and fiber - resin two phase model, the temperature field simulation results of laser cutting monofilament arrangement of carbon fiber When the energy absorption, the transfer process. This model can effectively simulate the temperature field of CFRP with different ratio of wire-bundle diameter to the laser cutting monofilament arrangement, and is used to predict the kerf width and heat-affected zone size of laser-cut single-layer CFRP. Numerical simulations show that the ratio of wire diameter to beam diameter k decreases, the width of kerf decreases from 229.45μm to 95.60μm, and the size of HAZ decreases from 172.08μm to 156.79μm. Experimental verification data and simulation data curve fitting basically the same, kerf width and HAZ error were 5.97% and 1.13%.
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