论文部分内容阅读
碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic,CFRP)由于具有轻质、比强度和比模量高等特点而被广泛应用于航空航天等领域。CFRP属于典型难加工材料,在加工过程中极易产生基体开裂、基体烧蚀、纤维断裂、纤维拔出、纤维基体脱粘和分层等缺陷,而这些加工缺陷的形成过程很难在实际加工中观测。为了探究宏微观CFRP切削机理,本文运用有限元仿真技术对宏微观CFRP结构进行三维建模,使用Abaqus/Explicit仿真软件对模型进行4种典型纤维角度(0°、45°、90°、135°)三维直角切削仿真分析,同时结合实验,研究了不同纤维角度下切削CFRP的纤维断裂和基体破坏机理,切屑形成以及纤维角度对切削力和加工质量的影响等。本文具体研究内容如下:(1)建立包含纤维、基体以及界面相的三维微观CFRP仿真模型,建模纤维呈圆柱状并随机分布于基体当中,使用零厚度内聚力单元来模拟界面相,并考虑各自材料本构、失效及演化准则,借助Abaqus/Explicit仿真软件对微观CFRP模型进行典型纤维角度直角切削仿真。对不同角度切削仿真结果着重探究了微观尺度下CFRP纤维的断裂过程、纤维与基体的脱粘、界面相的失效等方面。(2)建立基于等效均质方法的三维宏观CFRP仿真模型,使用零厚度内聚力单元来模拟界面层,同时基于VUMAT子程序使用三维Hashin失效及损伤演化准则来定义材料本构,综上对宏观CFRP模型进行不同纤维角度直角切削仿真,联系宏微观切削破坏过程,对切削不同角度CFRP切屑形成过程加以详细的阐述。同时,通过宏观CFRP模型,利用单因素法探索了刀具前角对切屑、切削力的影响。(3)在宏微观CFRP仿真的基础上对CFRP单向板进行直角切削实验,为保证研究结果的可比性,实验采用与仿真完全相同的实验参数。实验过程中采集不同纤维角度切削力,实验结束后观测已加工表面形貌以及表面粗糙度,并将其与宏微观CFRP仿真结果进行对比。对比结果表明:0°CFRP表面呈纤维与基体的混合态,在微观角度下纤维基体分明,纤维多处产生断裂,45°与90°CFRP表面存在基体涂覆现象,纤维断口数量较0°CFRP要多,135°CFRP表面凹坑和基体涂覆现象最为严重,表面质量最差。