论文部分内容阅读
摘要：本文利用有限元法，建立三维CFRP切削模型，探究了不同角度下CFRP的切削机理及切屑形成过程，仿真结果发现：切削0°CFRP时，当刀具接触到工件时，刀尖前端的材料最先被破坏，并沿纤维方向开始产生裂纹。切削45°CFRP时，边缘材料发生整体弯曲，但弯曲方向有所不同。切削90°CFRP时，随着刀具的进给，沿纤维方向的裂纹不断产生，裂纹沿着纤维方向不断向工件外围蔓延，在刀具前刀面的推挤作用下形成切屑。切削135°CFRP时，当刀具还没有实际接触到后续材料时，就已经有部分材料达到失效强度而被删除。
关键词：CFRP切削;有限元建模;材料成型;失效机理
1引言
碳纤维增强树脂基复合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic，CFRP）因具有高比强度和比刚度的特性而广泛应用于汽车及航空等领域，但该材料由于其自身特性在二次加工过程中很容易形成缺陷 。Arola和Ramulu[1-3]采用有限元对CFRP进行正交切削仿真，模型中考虑了刀具的各个角度以及刀具与工件间的摩擦，仿真结果验证了数值模拟对切削力具有预测性。秦旭达[4]等针对复合材料正交各向异性的特点，基于Hashin失效准则[5，6]建立CFRP单向板纤维铺层二维正交切削宏观模型。虽然秦的模型对研究CFRP切削具有参考意义，但模型将材料设置成壳体，与实际存在一定差异，同时基于二维构造的模型在分析过程中难免存在偏差，很难预测切屑在立体条件下的形态。
为探究宏观尺度下CFRP的破坏机理，本文选用Abaqus仿真软件建立等效均值（EHM）模型，同时基于Hashin失效定义纤维拉伸破坏，纤维压缩破坏，基体拉伸破坏以及剪切破坏等参数，对CFRP模型进行四种典型角度（0°、45°、90°、145°）直角切削仿真，揭露宏观条件下CFRP的破坏过程以及切屑的形成机理。
2模型建立
为真实还原UD-CFRP结构特征，模型采用叠层方法获得，每层厚度6um，共计6层，层与层之间采用内聚力单元连接，内聚力单元采用界面内聚力属性，这是一种基于牵引-分离法则的内聚力行为，这种零厚度的内聚力单元更能反映CFRP各个层别间的真实属性，模型如图2.1所示。模型尺寸大小为500μm×150μm×36μm，工件底部和两端施加完全固定约束，网格类型为C3D8R（8节点减缩积分单元，自动沙漏控制），生成方式为结构性（Structured）四边形（Hex），单元大小为5 μm，在宏观切削仿真过程中不考虑温度的影响。
为真实模拟UD-CFRP结构，模型采用叠层方法获得，每层厚度6um，共计6层，层与层之间采用内聚力单元连接，内聚力单元采用界面内聚力属性，这是一种基于牵引-分离法则的内聚力行为，这种零厚度的内聚力单元更能反映CFRP各个层别间的真实属性，模型如图2.1所示。模型尺寸大小为500μm×150μm×36μm，工件底部和两端施加完全固定约束。
刀具为三维实体模型，厚度为40 μm，刀具前角25°，后角10°，刀尖圆角2 μm，切深为50 μm。为了在仿真过程中达到稳定切削并得到切屑，动态增量时间步长设为4.5e-4s，由此得到的切削长度为282 μm，切削长度符合形成切屑条件。由于不考虑刀具变形及磨损对切削变形影响，因此刀具设置为刚体，为了通过网格排布来形成刀尖圆弧，刀尖处应进行网格加密。
3模型本构
在切削过程中，为了定义纤维拉伸断裂、纤维压缩屈曲、基体在横向拉伸和剪切下的断裂、基体在横向压缩和剪切下的压溃等失效模式，使用Hashin失效准则以及相应的损伤演化理论对材料失效进行判定。本构模型使用线弹性本构，不考虑材料塑性变形的影响，由于宏观UD-CFRP具有正交各向异性的特点，若用1方向表示纤维方向，2、3方向表示垂直于纤维方向，则其应力应变关系可表示为：
CFRP材料参数如表3.1所示。
4宏觀CFRP切削机理研究
0°纤维角度宏观CFRP切削过程如图3.1（a～b）所示，当刀具接触到工件时，刀尖前端的材料最先被破坏，并沿纤维方向开始产生裂纹，这是由于纤维具有正交各向异性特征，沿纤维方向的拉伸压缩强度与垂直于纤维方向强度相差极大，因此当工件受到前刀面的挤压作用时，垂直于纤维方向的材料最先被破坏，裂纹持续扩展，当被刀具挤压到一定程度时，材料的最下层面会产生层间分离，材料在前刀面的推挤作用下被“掀起”，如图3.1（a）所示，掀起的部分在刀具的推挤作用下发生弯曲，当材料达到弯曲极限时材料被折断从而形成切屑如图3.1（b）。
45°纤维角度宏观CFRP切削过程如图3.2（a～b）所示，当刀具接触工件时，可从图中清楚的观察到应力沿纤维方向分布，在前刀面的作用下材料被“顶起”，边缘材料发生整体弯曲，但弯曲方向有所不同，刀尖处沿纤维方向至材料边缘处向内弯折，而靠近前刀面处材料则向外弯折，此时材料与刀尖接触部位开始产生裂纹，如图3.2（b）所示。随着刀具的进一步进给，裂纹沿纤维方向不断扩展，最终延伸至材料边缘，此时材料整体分离形成块状切屑，如图3.2（b）所示。
90°纤维角度宏观CFRP切削过程如图3.3（a～b）所示，由图可知当刀具接触到工件时，其切屑在前刀面的推挤作用下沿纤维方向产生裂纹，同时可以观察到界面相已经脱粘，材料在形成切屑前就已经发生分层现象，且应力主要沿纤维方向分布，如图3.3（b）所示。随着刀具的进给，沿纤维方向的裂纹不断产生，裂纹沿着纤维方向不断向工件外围蔓延，在刀具前刀面的推挤作用下形成切屑，其破坏形式主要以压碎为主，断裂的切屑沿纤维轴垂直方向从切削区域流出。
135°纤维角度宏观CFRP切削过程如图3.4（a～b）所示，由图可以看出，当刀具刚刚接触工件时既已开始形成切屑，由于135°为逆纤维方向角，因此根据刀具与工件接触部位局部放大图可清楚的观察到，在前刀面的作用下，材料被“掀起”折断从而形成切屑如图3.4（a）所示。随着刀具的进一步进给，由图3.4（b）可以观察到，当刀具还没有实际接触到后续材料时，就已经有部分材料达到失效强度而被删除，这说明材料的破坏并不完全是由刀具的切削而引起的，大部分的材料在刀具切削的过程中被破坏，少量的材料则是因为在刀具的挤压作用下被破坏。
5结论
本文利用有限元法，通过建立三维CFRP切削模型，探究了不同角度下CFRP的切削机理及切屑形成过程，通过仿真结果发现：切削0°CFRP时，当刀具接触到工件时，刀尖前端的材料最先被破坏，并沿纤维方向开始产生裂纹。切削45°CFRP时，边缘材料发生整体弯曲，但弯曲方向有所不同，刀尖处沿纤维方向至材料边缘处向内弯折，而靠近前刀面处材料则向外弯折。切削90°CFRP时，随着刀具的进给，沿纤维方向的裂纹不断产生，裂纹沿着纤维方向不断向工件外围蔓延，在刀具前刀面的推挤作用下形成切屑。切削135°CFRP时，当刀具还没有实际接触到后续材料时，就已经有部分材料达到失效强度而被删除。
参考文献
[1]Arola D， Ramulu M . Orthogonal cutting of fiber-reinforced composites： A finite element analysis[J]. International Journal of Mechanical Sciences， 1997， 39（5）：597-613.
[2]Ramesh M V， Seetharamu K N， Ganesan N， et al. Analysis of machining of FRPs using FEM[J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture， 1998， 38（12）：1531-1549.
[3]Arola D， Sultan M B ， Ramulu M. Finite Element Modeling of Edge Trimming Fiber Reinforced Plastics[J]. Journal of Manufacturing Science & Engineering， 2002， 124（1）：32-41.
[4]秦旭达，李永行，王斌，等.CFRP纤维方向对切削过程影响规律的仿真研究[J].机械科学与技术， 2016， 35（3）：472-476.
关键词：CFRP切削;有限元建模;材料成型;失效机理
1引言
碳纤维增强树脂基复合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic，CFRP）因具有高比强度和比刚度的特性而广泛应用于汽车及航空等领域，但该材料由于其自身特性在二次加工过程中很容易形成缺陷 。Arola和Ramulu[1-3]采用有限元对CFRP进行正交切削仿真，模型中考虑了刀具的各个角度以及刀具与工件间的摩擦，仿真结果验证了数值模拟对切削力具有预测性。秦旭达[4]等针对复合材料正交各向异性的特点，基于Hashin失效准则[5，6]建立CFRP单向板纤维铺层二维正交切削宏观模型。虽然秦的模型对研究CFRP切削具有参考意义，但模型将材料设置成壳体，与实际存在一定差异，同时基于二维构造的模型在分析过程中难免存在偏差，很难预测切屑在立体条件下的形态。
为探究宏观尺度下CFRP的破坏机理，本文选用Abaqus仿真软件建立等效均值（EHM）模型，同时基于Hashin失效定义纤维拉伸破坏，纤维压缩破坏，基体拉伸破坏以及剪切破坏等参数，对CFRP模型进行四种典型角度（0°、45°、90°、145°）直角切削仿真，揭露宏观条件下CFRP的破坏过程以及切屑的形成机理。
2模型建立
为真实还原UD-CFRP结构特征，模型采用叠层方法获得，每层厚度6um，共计6层，层与层之间采用内聚力单元连接，内聚力单元采用界面内聚力属性，这是一种基于牵引-分离法则的内聚力行为，这种零厚度的内聚力单元更能反映CFRP各个层别间的真实属性，模型如图2.1所示。模型尺寸大小为500μm×150μm×36μm，工件底部和两端施加完全固定约束，网格类型为C3D8R（8节点减缩积分单元，自动沙漏控制），生成方式为结构性（Structured）四边形（Hex），单元大小为5 μm，在宏观切削仿真过程中不考虑温度的影响。
为真实模拟UD-CFRP结构，模型采用叠层方法获得，每层厚度6um，共计6层，层与层之间采用内聚力单元连接，内聚力单元采用界面内聚力属性，这是一种基于牵引-分离法则的内聚力行为，这种零厚度的内聚力单元更能反映CFRP各个层别间的真实属性，模型如图2.1所示。模型尺寸大小为500μm×150μm×36μm，工件底部和两端施加完全固定约束。
刀具为三维实体模型，厚度为40 μm，刀具前角25°，后角10°，刀尖圆角2 μm，切深为50 μm。为了在仿真过程中达到稳定切削并得到切屑，动态增量时间步长设为4.5e-4s，由此得到的切削长度为282 μm，切削长度符合形成切屑条件。由于不考虑刀具变形及磨损对切削变形影响，因此刀具设置为刚体，为了通过网格排布来形成刀尖圆弧，刀尖处应进行网格加密。
3模型本构
在切削过程中，为了定义纤维拉伸断裂、纤维压缩屈曲、基体在横向拉伸和剪切下的断裂、基体在横向压缩和剪切下的压溃等失效模式，使用Hashin失效准则以及相应的损伤演化理论对材料失效进行判定。本构模型使用线弹性本构，不考虑材料塑性变形的影响，由于宏观UD-CFRP具有正交各向异性的特点，若用1方向表示纤维方向，2、3方向表示垂直于纤维方向，则其应力应变关系可表示为：
CFRP材料参数如表3.1所示。
4宏觀CFRP切削机理研究
0°纤维角度宏观CFRP切削过程如图3.1（a～b）所示，当刀具接触到工件时，刀尖前端的材料最先被破坏，并沿纤维方向开始产生裂纹，这是由于纤维具有正交各向异性特征，沿纤维方向的拉伸压缩强度与垂直于纤维方向强度相差极大，因此当工件受到前刀面的挤压作用时，垂直于纤维方向的材料最先被破坏，裂纹持续扩展，当被刀具挤压到一定程度时，材料的最下层面会产生层间分离，材料在前刀面的推挤作用下被“掀起”，如图3.1（a）所示，掀起的部分在刀具的推挤作用下发生弯曲，当材料达到弯曲极限时材料被折断从而形成切屑如图3.1（b）。
45°纤维角度宏观CFRP切削过程如图3.2（a～b）所示，当刀具接触工件时，可从图中清楚的观察到应力沿纤维方向分布，在前刀面的作用下材料被“顶起”，边缘材料发生整体弯曲，但弯曲方向有所不同，刀尖处沿纤维方向至材料边缘处向内弯折，而靠近前刀面处材料则向外弯折，此时材料与刀尖接触部位开始产生裂纹，如图3.2（b）所示。随着刀具的进一步进给，裂纹沿纤维方向不断扩展，最终延伸至材料边缘，此时材料整体分离形成块状切屑，如图3.2（b）所示。
90°纤维角度宏观CFRP切削过程如图3.3（a～b）所示，由图可知当刀具接触到工件时，其切屑在前刀面的推挤作用下沿纤维方向产生裂纹，同时可以观察到界面相已经脱粘，材料在形成切屑前就已经发生分层现象，且应力主要沿纤维方向分布，如图3.3（b）所示。随着刀具的进给，沿纤维方向的裂纹不断产生，裂纹沿着纤维方向不断向工件外围蔓延，在刀具前刀面的推挤作用下形成切屑，其破坏形式主要以压碎为主，断裂的切屑沿纤维轴垂直方向从切削区域流出。
135°纤维角度宏观CFRP切削过程如图3.4（a～b）所示，由图可以看出，当刀具刚刚接触工件时既已开始形成切屑，由于135°为逆纤维方向角，因此根据刀具与工件接触部位局部放大图可清楚的观察到，在前刀面的作用下，材料被“掀起”折断从而形成切屑如图3.4（a）所示。随着刀具的进一步进给，由图3.4（b）可以观察到，当刀具还没有实际接触到后续材料时，就已经有部分材料达到失效强度而被删除，这说明材料的破坏并不完全是由刀具的切削而引起的，大部分的材料在刀具切削的过程中被破坏，少量的材料则是因为在刀具的挤压作用下被破坏。
5结论
本文利用有限元法，通过建立三维CFRP切削模型，探究了不同角度下CFRP的切削机理及切屑形成过程，通过仿真结果发现：切削0°CFRP时，当刀具接触到工件时，刀尖前端的材料最先被破坏，并沿纤维方向开始产生裂纹。切削45°CFRP时，边缘材料发生整体弯曲，但弯曲方向有所不同，刀尖处沿纤维方向至材料边缘处向内弯折，而靠近前刀面处材料则向外弯折。切削90°CFRP时，随着刀具的进给，沿纤维方向的裂纹不断产生，裂纹沿着纤维方向不断向工件外围蔓延，在刀具前刀面的推挤作用下形成切屑。切削135°CFRP时，当刀具还没有实际接触到后续材料时，就已经有部分材料达到失效强度而被删除。
参考文献
[1]Arola D， Ramulu M . Orthogonal cutting of fiber-reinforced composites： A finite element analysis[J]. International Journal of Mechanical Sciences， 1997， 39（5）：597-613.
[2]Ramesh M V， Seetharamu K N， Ganesan N， et al. Analysis of machining of FRPs using FEM[J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture， 1998， 38（12）：1531-1549.
[3]Arola D， Sultan M B ， Ramulu M. Finite Element Modeling of Edge Trimming Fiber Reinforced Plastics[J]. Journal of Manufacturing Science & Engineering， 2002， 124（1）：32-41.
[4]秦旭达，李永行，王斌，等.CFRP纤维方向对切削过程影响规律的仿真研究[J].机械科学与技术， 2016， 35（3）：472-476.