碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic/Polymer,CFRP）由于比强度高、比模量大、耐腐蚀等特点,在航空航天领域应用越来越广泛。为满足复合材料零部件的尺寸精度和表面质量,CFRP材料在成型之后仍需进行大量的车削、铣削、钻削等制孔作业,因此CFRP的制孔质量成为影响产品装配的重要因素。CFRP由碳纤维及环氧树脂构成,具有非均质、各向异性等特点,材料去除机理比金属加工更为复杂,制孔过程常出现纤维拔出、出口分层、孔周不圆度等缺陷,导致制孔质量不稳定、产品报废率高,严重影响飞机装配的质量和效率。针对以上问题,本文围绕CFRP构件钻削振动力学建模及其稳定性开展研究,提出了CFRP三维细观直角切削有限元分析方法并深入揭示了CFRP直角切削行为,构建了CFRP切削力系数预测模型,进而预测了CFRP钻削力及扭矩波动特性,开展了超声振动钻削机理分析,为CFRP钻削过程的缺陷抑制及稳定性控制奠定了基础。全文主要研究内容及成果如下:1.提出了CFRP三维细观直角切削有限元分析方法并深入揭示了CFRP直角切削行为。构建了三维多相细观切削有限元模型,在ABAQUS环境下建立了包含纤维、基体及纤维-基体界面的直角切削几何模型,基于用户子程序VUMAT定义了纤维的材料本构,运用Johnson-Cook模型描述了应变率及温度对基体的作用规律,运用纯基体在不同应变率及温度下的实验数据对J-C模型的参数进行了实验标定,建立了基于牵引力分离法则的零厚度内聚力单元对纤维-基体间的界面脱粘进行建模,开展了不同纤维方向角的直角切削有限元仿真,与实验获取的切削力、切屑形态、表面粗糙度及切削温度进行了对比验证。基于有限元仿真结果,通过能量分析方法对不同纤维方向角下直角切削过程的各项能量耗散机制进行了量化,运用后置处理方法评估了四个典型纤维方向角下的主导纤维损伤方式,对动态切削力、切屑长度、切削温度等宏观切削响应背后的切削及破坏机理进行了定量化解释,较好地揭示了细观切削行为。2.提出了CFRP切削力系数预测方法。分析了CFRP构件钻削过程工艺参数和刀具几何参数的变化规律,钻削刃分解为了具有直角切削作用的微元刃,提出了数学表达式对微元刃的切削速度及等效刀具法向前角进行预测,针对各参数的变化范围设定了不同水平值并开展了直角切削仿真,通过能量分析方法研究了切削深度、纤维方向角、切削速度、刀具前角等参数对复合材料切削机理的影响,基于能量分析结果提出了切削系数及刃口系数用于描述切削力与切削深度的关系,定义了幂律函数描述切削力与刀具前角之间的非线性关系,构建了BP神经网络模型并通过直角切削仿真数据完成了训练,从而实现了全周期纤维方向角内切削力与各参数之间的映射关系。3.建立了CFRP钻削轴向力及扭矩波动特性预测模型。复合材料钻削过程划分为了入口阶段、稳定阶段和出口阶段。在稳定阶段,基于微元刃法建立了单个微元刃的切向力及进给力与各切削力系数间的关联模型,对整个切削刃上的微元刃单元的微元力进行求和并采用直角-斜角切削几何转换关系求解钻削轴向力及扭矩。在入口阶段,求解了微元刃个数与时间的表达式,通过对任意时刻切削刃有效切削长度上的微元力进行求和获取瞬时钻削力。出口阶段的力等效为了稳定阶段与入口阶段钻削力的差值。由于钻削力建模中考虑了纤维方向角、刀具几何角度、工艺参数及切削刃有效切削长度等因素对钻削过程的影响作用,从而该CFRP钻削模型能够很好的描述钻削力波动特性。通过与不同进给速度下的钻削实验结果对比,该模型能够较准确地预测钻削力的最大值、最小值、变化频率及平均值。4.开展了超声振动钻削仿真与机理分析,提出了钻孔缺陷抑制的稳定性控制策略。开展了超声振动直角切削细观仿真,分析了振动频率及振动幅值对纤维断裂形式、切屑形态、切削力波动特性及能量耗散机制的作用,基于灵敏度分析评估了能避免已加工表面被严重破坏的超声振动参数组合,同时构建了能控制单元畸变的内聚力单元模型对界面脱粘进行建模,开展了普通钻削及超声振动钻削的宏观有限元仿真,对两种不同加工方式的钻削力、出口分层情况、孔周不圆度等加工结果进行了预测,揭示了两种加工方式的切削机理,针对超声振动钻削过程进行了运动学建模,建立了瞬时切屑厚度及瞬时切削力与超声振动参数及加工参数的关联关系,经验证,此方法可以预测不同超声振动参数及加工参数对加工稳定性的影响规律。