CFRTP宏细观直角切削过程及钻削损伤仿真研究

作     者：金星海 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王福吉

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：CFRTP 有限元仿真 切削 细观仿真模型 宏观仿真模型 

摘      要：碳纤维增强热塑性树脂基复合材料(CFRTP)具有传统碳纤维复合材料轻质高强的特点,更具备韧性高、耐温性好、可回收等优势,已成为高端装备的优选材料。由于CFRTP在细观上树脂基体具有强韧性且各组成相性能差异显著,宏观上具有层叠及强各向异性特征,导致其加工过程中极易产生长切屑、毛刺、撕裂损伤等问题,阻碍了CFRTP的推广应用。CFRTP作为新型复合材料,其切削加工研究较少,亟待深入研究其切削特性,为提高加工质量奠定基础。CFRTP切削加工过程实质上为细观上各组成相材料的失效演变成宏观上的材料断裂,进而形成切屑的复杂动态过程。因此,本文采用有限元仿真方法,首先深入研究了CFRTP的直角切削中细观尺度下的材料去除和损伤形式及宏观尺度下的成屑过程、切屑形态及损伤变化规律,进而探究并分析了CFRTP钻削损伤的变化规律。本文主要研究内容总结如下:(1)建立了CFRTP三维细观直角切削仿真模型。其中,对于热塑性树脂基体,基于Drucker–Prager模型考虑了其力学性能对载荷状态的依赖性及其较强的塑性;将碳纤维定义为横观各向同性材料,采用三维形式的类Hashin准则对其多种失效形式进行判定并定义其损伤演化过程。基于细观切削仿真模型分析了四种典型纤维角度的CFRTP细观尺度下的局部材料变形失效以及多相材料共同去除过程。开展直角切削实验对仿真模型进行了验证,进而分析了切削后工件表层及已加工表面的细观损伤形式。(2)建立了CFRTP三维宏观直角切削仿真模型。虑及CFRTP细观组成相的材料特性在宏观材料特性上的体现,构建了CFRTP三维宏观材料模型并采用Fortran语言编写模型对应的VUMAT子程序,实现了对Abaqus软件中材料模型的二次开发。建立了宏观切削有限元模型,对四种纤维取向下的切削过程进行了模拟,并设计了直角切削实验对模型进行了验证。结果表明,在0°纤维取向时会产生C形的长切屑;在45°时会形成长而卷曲的切屑;而在90°和135°时的切屑形态呈崩碎状。仿真所得到的切削力、切屑的形成过程及形态与实验结果吻合良好。进而开展了CFRTP宏观切削的变参数仿真研究,探究了纤维取向、刀具前角、刃圆半径及切削深度对面下损伤深度和切削力的影响规律。(3)建立了CFRTP钻削仿真模型。将构建的CFRTP三维宏观材料模型应用到CFRTP多向层合板钻削有限元仿真中并开展了钻削验证性实验,分析了钻头顶角及进给速度对钻削出口损伤的影响趋势。