CFRP-金屬疊層結構鉆削力建模與分層控制方法研究.pdf

1、航空航天產品的更新?lián)Q代和性能要求的不斷提升，對航空材料的各方面性能提出了更高的要求。作為先進復合材料的重要一類，碳纖維增強復合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic/Polymer，CFRP）由于比強度高、比模量大、耐腐蝕等特點，在航空航天領域應用越來越廣泛，形成大量的CFRP/金屬疊層（CMSs）機械連接結構，麻花鉆及其改型鉆頭的鉆孔是完成CMSs機械連接的重要工藝。CFRP是由纖維和基體組成的多相結構，

2、具有非勻質性、各向異性、硬度高等特點，切削加工難度較大，極易出現(xiàn)分層損傷，對復合材料結構件服役性能影響極大。CMSs制孔要求刀具參數和工藝參數同時滿足兩種材料的鉆削加工，對制孔工藝提出了更苛刻的要求。當前工程中 CMSs制孔并沒有形成專業(yè)、系統(tǒng)的工藝方法，工藝參數的選擇主觀性大、工藝控制粗糙，導致制孔質量不穩(wěn)定、產品報廢率高，嚴重影響了飛機裝配的質量和效率。針對以上問題，本文圍繞 CMSs鉆削力建模與分層控制方法進行研究，提出了 CFR

3、P三維多相細觀切削有限元仿真分析方法并深入揭示了CFRP細觀切削行為，建立了CFRP細觀切削力學模型，提出了五階段全周期瞬時鉆削力預測方法，建立了 CMSs鉆孔分層臨界軸向力預測模型，提出了鉆孔分層損傷控制策略。全文主要研究內容及成果如下：
　　1）提出了CFRP三維多相細觀切削有限元仿真分析方法并深入揭示了CFRP細觀切削行為。定義特征體單元（Representative Volume Element，RVE）在簡單載荷情況下的

4、拉伸、壓縮、剪切、彎曲、層間剝離等基本變形形式，分別討論每種變形形式的受載情況及破壞方式，提取四種典型角度對細觀切削行為進行分析，定性分析了不同情況下各種基本變形形式的權重及其變化規(guī)律。測量刀具刀尖形貌，綜合刀具設計中的前角、后角信息，提取 CFRP纖維、基體細觀幾何信息，建立了四種不同纖維方向角的直角切削細觀幾何模型，在ABAQUS環(huán)境下，基于定義材料本構用戶子程序（User Subroutine to Define Material

5、 Behavior，VUMAT）分別定義基體和纖維的材料本構，設置刀具與基體和纖維的接觸，應用縮減積分沙漏控制的八節(jié)點線性實體單元 C3D8R，對不同纖維方向角的三維多相的CFRP直角切削模型進行了動態(tài)仿真分析。輸出纖維方向角θ=0°、θ=45°、θ=90°、θ=135°的有限元仿真結果，分析其切屑形成方式、亞表層損傷規(guī)律、切削力變化規(guī)律等，并用掃描電鏡觀察實驗件微觀形貌，與仿真結果進行驗證對比，較好地揭示了細觀切削行為。
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6、）建立了CFRP細觀切削力學模型。對切削類型進行精確的分界點討論，考慮臨近材料的背部支撐作用對變形的影響，基于最小勢能原理，采用半無限長RVE假設，得到RVE變形撓度的微分方程，進一步得到其變形撓度曲線。在撓度曲線的基礎上，根據纖維強度極限計算刀尖刃口處產生的切削力，同時，分別計算前刀面和后刀面相關的切削力，最終建立了 CFRP的細觀切削力學模型，揭示了細觀切削行為，為鉆削力預測奠定基礎。搭建了切削力測量平臺，設計了 CFRP直角切削刀

7、具及夾具，完成了對力學模型的驗證，并對比分析其結果，總結了各參量對制孔行為的影響規(guī)律，解釋了偏差產生的原因。
　　3）提出了五階段全周期瞬時鉆削力預測方法。進行了鉆削加工模型解構，探明了鉆削加工初級參數在細觀微元切削中的體現(xiàn)方式，建立了以纖維方向角為主的細觀參數的變化規(guī)律模型。在 CMSs鉆削工藝分析的基礎上，將鉆削過程劃分為五個階段，對每個階段內的任意時刻進行力學分析，沿主切削刃和橫刃劃分為無限個微元，對每個微元進行切削力建模，

8、最后以極徑為積分變量進行積分求解主切削刃切削力，同時基于接觸力學理論進行橫刃切削力分析與建模，最終建立CMSs鉆削軸向力全周期預測模型，揭示了軸向力隨纖維方向角等初級參數的變化規(guī)律。
　　4）建立了CMSs鉆孔分層臨界軸向力預測模型，給出了鉆孔分層損傷控制建議。分析了CFRP鉆孔分層機理，應用混合失效準則和Camanho-Matthews剛度退化準則表征層間損傷演化本構關系，進行鉆孔定性分析，確定分層產生的位置及擴展速率等信息。考

9、慮不同疊層順序、邊界條件，進行疊層結構鉆孔受力分析，將CMSs鉆孔分為（a）從金屬到CFRP和（b）從CFRP到金屬兩種情況，基于板殼理論和復合材料結構力學方法計算未切削層合板、金屬板、CFRP板等各部分的撓度函數，基于虛功原理建立裂紋擴展能、軸向力虛功和工件變形能之間的關系，建立了不產生分層的臨界軸向力預測模型，并通過公式推導出絕對不產生分層的CMSs構型要求。在未切削層合板和已切削層合板之間建立零厚度cohesive單元，應用張力-