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碳纤维复合材料超声扫描分层检测及评价方法

航空学报 2016年第11期37卷 3512-3519页

作者：魏莹莹安庆龙蔡晓江陈明上海交通大学机械与动力工程学院上海200240 上海航天控制技术研究所上海201109

由于碳纤维增强复合材料(CFRP)具有各向异性的特点,在其钻削加工中极易形成分层、撕裂以及毛刺等加工缺陷,而分层对碳纤维层合板构件的性能影响最大,因而建立一套准确的针对分层缺陷的检测、描述以及评价方法对层合结构碳纤维复合材料... 详细信息

由于碳纤维增强复合材料(CFRP)具有各向异性的特点,在其钻削加工中极易形成分层、撕裂以及毛刺等加工缺陷,而分层对碳纤维层合板构件的性能影响最大,因而建立一套准确的针对分层缺陷的检测、描述以及评价方法对层合结构碳纤维复合材料的有效应用具有重大意义。从分层缺陷的形成机理出发,通过对现有分层缺陷的检测以及评价体系的分析,提出了基于高频超声扫描显微镜(SAM)来进行分层缺陷检测评价的三维体积分层因子评价方法,并针对T800/X850碳纤维单向层合板对该方法进行了定征试验,最后通过对实际加工孔的分层缺陷的评价,综合对比了三维体积分层因子评价方法与传统评价方法的应用效果。结果表明:分层缺陷是由力热耦合引起的层间粘结失效,出口处更为严重;用超声扫描显微镜检测分层,可检测不少于8层的碳纤维复合材料,至少可以清晰表达5层的内部分层特征;分层会发生隔层传播,并且两个相邻铺层为同向的层间结合强度最好,不易产生隔层传播;三维体积分层因子可以更准确清晰地评价复合材料层合结构的内部缺陷。

关键词：碳纤维增强复合材料钻孔缺陷分层机理高频超声扫描显微镜分层因子

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碳纤维复合材料超声振动辅助钻孔工艺参数多目标优化方法

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计算机集成制造系统 2024年

作者：秦国华赖晓春金杨杨王华敏南昌航空大学航空制造工程学院江西省教育厅江西省教育国际合作与教师发展中心

碳纤维复合材料（CFRP）因其优越性能被广泛应用于航空航天领域，但在钻孔加工时，容易产生毛刺、分层和撕裂等缺陷，严重影响其发展应用。为了准确分析与预测CFRP钻孔过程中的分层缺陷，通过层内材料Hashin-Puck失效准则和Cohesive黏... 详细信息

碳纤维复合材料（CFRP）因其优越性能被广泛应用于航空航天领域，但在钻孔加工时，容易产生毛刺、分层和撕裂等缺陷，严重影响其发展应用。为了准确分析与预测CFRP钻孔过程中的分层缺陷，通过层内材料Hashin-Puck失效准则和Cohesive黏性层损伤失效机制，建立了CFRP超声振动钻孔有限元模型。与实验结果对比分析可知，轴向力和分层因子仿真值的最大误差分别为8.68%和5.54%。其次，构建了轴向力和分层因子的遗传优化神经网络预测模型，实验结果表明轴向力平均误差为3.60%，最大相对误差为7.06%。最后，建立了质量指标和效率指标为最小的多目标优化模型，并用MOEA/D遗传算法对模型求解，为CFRP钻孔工艺参数的合理选择提供切实可行的理论基础。

关键词：碳纤维复合材料超声振动钻孔 Hashin-Puck失效准则分层因子神经网络 MOEA/D遗传算法

碳纤维复合材料单向板钻孔分层损伤的数值模拟

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机械工程材料 2019年第9期43卷 73-77页

作者：张明辉周储伟鲁浩南京航空航天大学航空学院机械结构力学及控制国家重点实验室

基于三维Hashin失效准则,以及双线性Cohesive损伤模型中的二次名义应力准则和BK失效准则,采用ABAQUS/Explicit模块中的VUMAT子程序对碳纤维复合材料单向板钻孔过程中的分层损伤进行模拟,并通过钻孔后的超声C扫结果对模拟结果进行了验证... 详细信息

基于三维Hashin失效准则,以及双线性Cohesive损伤模型中的二次名义应力准则和BK失效准则,采用ABAQUS/Explicit模块中的VUMAT子程序对碳纤维复合材料单向板钻孔过程中的分层损伤进行模拟,并通过钻孔后的超声C扫结果对模拟结果进行了验证;研究了麻花钻的半径和顶角对分层损伤的影响。结果表明:试验得到钻孔后单向板损伤区域的最大破坏直径为25.6mm,分层因子为2.56,有限元模拟得到的最大破坏直径为25mm,层因子为2.50,试验结果与模拟结果的相对误差仅为2.4%,证明了有限元模型的准确性;与上表面铺层界面和中间界面相比,单向板下表面铺层界面的分层因子最大,分层损伤最严重;分层因子随麻花钻的直径和顶角的增大而增大,分层损伤程度也增大。

关键词：碳纤维复合材料麻花钻有限元模拟分层因子

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基于竹鼠门牙结构的CFRP仿生刀具结构设计及试验研究

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基于竹鼠门牙结构的CFRP仿生刀具结构设计及试验研究

作者：李枫湖南科技大学

学位级别：硕士

CFRP作为一种碳纤维增强复合材料,具有轻量、高强度、高模量、优异的耐腐蚀性、耐磨性和耐疲劳性,因此在航空航天、国防科技、军工、体育和医疗等领域的应用越来越广泛。但由于CFRP层合板具有各向异性以及层间连接较差等特点,导致钻削... 详细信息

CFRP作为一种碳纤维增强复合材料,具有轻量、高强度、高模量、优异的耐腐蚀性、耐磨性和耐疲劳性,因此在航空航天、国防科技、军工、体育和医疗等领域的应用越来越广泛。但由于CFRP层合板具有各向异性以及层间连接较差等特点,导致钻削过程中极易出现分层、撕裂、毛刺等加工缺陷。因此,本文针对制孔缺陷的问题,基于仿生学原理,设计并制造了钻削平纹编织CFRP材料的专用刀具,对仿生新型刀具钻削PW-CFRP材料的钻削轴向力（F）、钻削温度（T）和分层因子（F）进行了试验分析,同时,进一步验证仿生新型刀具能否达到增强切削效果和减少材料出口侧分层缺陷的目的。本文的主要研究内容和结论如下:（1）提取竹鼠下门牙实物,并应用非接触激光三维扫描仪EZ-003获取竹鼠下门牙的点云数据,利用逆向工程技术软件对获取的点云数据进行处理、修复,并重构牙齿的三维模型;其次,基于三维重构的竹鼠下门牙进行提取和分析,比如材料属性、特性曲线（前刀面轮廓曲线、后刀面轮廓曲线、切削刃轮廓曲线）、结构形貌等,同时对竹鼠下门牙进食过程的运动过程进行数学建模分析,获得了牙齿运动过程中咬合半径（R）与切入角（θ）之间的数学关系式,为仿生设计钻削专用刀具提供了仿生理论依据;（2）利用竹鼠下门牙对PW-CFRP材料建立了有限元宏观切削模型,分析了不同切入角（θ）对材料的去除过程以及切削表面的加工效果,同时,对比了不同刀具结构对PW-CFRP材料切削的表面质量。结果表明,切入角越小,切削表面质量越好;由于PW-CFRP材料的编织类型不同,加工效果也随之不同,其中,0°/180°与90°交错类型比45°与135°交错类型所切削的表面质量更好;验证了竹鼠下门牙比普通刀具切削PW-CFRP材料的表面质量更好;此外,当切入角θ=10°时,切削表面效果最佳,此时竹鼠牙齿的咬合半径为40 mm,结合刀具理论与坐标转换原理设计并制造了仿生新型刀具,整体刀具尺寸缩放比例为0.15倍;（3）利用新设计的仿生新型刀具与现有的燕尾-细齿刀具进行对比试验,分析了仿生新型刀具的钻削轴向力（F）与钻削温度（T）的时变特征,以及工艺参数(主轴转速（n）、进给速度（V_f）)、刀具结构、钻削深度（h）对钻削轴向力和钻削温度的影响。结果表明:A点的数值为整个过程中的最大轴向力,C点的数值为细齿修整阶段的最大轴向力,且仿生新型刀具钻削PW-CFRP材料时产生的轴向力更小;A点的大小为整个钻削过程中的最大钻削温度,W曲线中D点的大小为修整阶段的最大钻削温度;仿生新型刀具的钻削轴向力随着进给速度的增大而增大,随着主轴转速的增大而减小;仿生新型刀具的钻削温度均随进给速度与主轴转速的增大而增大;（4）分析了工艺参数(主轴转速（n）、进给速度（V_f）)、刀具结构、刀具直径、轴向力、钻削温度对制孔分层因子（F）的影响。结果表明:分层因子均随进给速度与主轴转速的增大而增大;仿生新型刀具比燕尾-细齿刀具的分层因子小,说明分层缺陷小,制孔效果越好;当低进给、低转速时,仿生新型刀具的钻削温度低,分层因子小,孔加工质量好;而仿生新型刀具轴向力的大小不能决定最终分层因子的大小;越接近竹鼠下门牙齿形的仿生新型刀具钻削PW-CFRP材料的加工质量越好。

关键词：平纹编织CFRP复合材料仿生学新刀具钻削轴向力钻削温度分层因子

KFRP超声振动辅助孔加工机理及表面质量研究

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KFRP超声振动辅助孔加工机理及表面质量研究

作者：孙晓晗盐城工学院

学位级别：硕士

凯夫拉纤维增强树脂基复合材料(Kevlar Fiber Reinforced Polymer,KFRP)拥有高比强度和高比模量等特点,在航空航天、装甲防护和汽车工业等领域有广阔的应用前景。由于KFRP材料的各向异性和低层间连接强度,制孔时容易产生毛刺、分层和撕... 详细信息

凯夫拉纤维增强树脂基复合材料(Kevlar Fiber Reinforced Polymer,KFRP)拥有高比强度和高比模量等特点,在航空航天、装甲防护和汽车工业等领域有广阔的应用前景。由于KFRP材料的各向异性和低层间连接强度,制孔时容易产生毛刺、分层和撕裂等加工损伤,严重影响工件使用寿命。鉴于此,采用超声辅助加工技术进行KFRP高质量制孔研究,主要研究内容如下:(1)建立常规钻削和超声辅助钻削的运动学模型,得到二者加工时在特定参数下的运动轨迹;建立切削刃和横刃的钻削轴向力模型,根据建立的轴向力模型分析轴向力的影响因素,预测轴向力的趋势并与试验钻削力结果进行对比,预测趋势与试验结果一致。其次根据复合材料薄板理论建立临界钻削轴向力模型,将推算产生分层的理论轴向力与试验分析的临界轴向力对比,误差为6.8%。(2)根据FRP材料Hashin失效准则,创建KFRP的仿真模型对孔加工过程进行动力学模拟。得到的仿真钻削力曲线和同条件下试验的钻削力曲线进行比较,误差为18.1%,仿真较为合理;对比常规加工和超声加工仿真结果,超声加工轴向力降低,同时超声辅助加工能够抑制麻花钻加工KFRP过程中分层和毛刺的缺陷,改善制孔质量。(3)开展硬质合金钻头和PCD钻头加工对比试验,比较二者制孔过程的钻削轴向力、钻削温度和表面质量,择优进行超声加工试验。对于钻削轴向力,PCD麻花钻整体低于硬质合金麻花钻,钻削轴向力下降7.9%;对于钻削温度,PCD麻花钻钻削温度降低29.3%;在制孔质量上,使用PCD麻花钻可以得到较优的入出口质量,在孔出口处毛刺较少,对于控制分层等损伤发挥显著作用,PCD钻头可以获得更好的KFRP孔加工质量。(4)开展KFRP超声辅助孔加工试验,探究工艺参数对制孔的影响,测量孔加工时的轴向力、温度、表面形貌和出口分层比。试验结果表明,超声加工能显著降低钻削力和出口分层比,钻削力降低幅度为4.8%,分层比降低幅度达到17.0%,轴向力和分层比随着主轴转速增加或进给速度减小而下降;超声加工比常规加工钻削温度高,钻削温度随着进给速度的增加逐渐减小,随主轴转速的增加呈现先增加后减小的趋势。孔壁表面微观方面,超声加工能明显促进刀具切削纤维能力,粗糙度降低了32.1%,能减少树脂的粘接,使纤维断口平整,使其制孔质量得到提升。通过上述研究,分析了超声辅助加工的运动学特性和材料切除机理,阐明了超声加工优良的工艺特性,研究了加工参数变化对钻削轴向力、钻削温度和出口分层比的影响规律,优选了KFRP高质量孔加工的工艺参数,为KFRP等难加工材料的高质量制孔加工提供技术参考,具有良好的工程应用价值。

关键词： KFRP PCD钻头超声振动钻削温度分层因子

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碳纤维复合材料钻削机理及损伤研究

碳纤维复合材料钻削机理及损伤研究

作者：董正宝安徽理工大学

学位级别：硕士

碳纤维复合材料(CFRP)因其重量轻、强度高、抗疲劳等良好的性能,在航空、汽车和建筑等领域得到越来越多的应用。钻削是碳纤维复合材料机械加工中使用广泛的制孔工艺,钻孔质量对零件的装配度等的重要程度不可忽视。但因为CFRP各向异性、... 详细信息

碳纤维复合材料(CFRP)因其重量轻、强度高、抗疲劳等良好的性能,在航空、汽车和建筑等领域得到越来越多的应用。钻削是碳纤维复合材料机械加工中使用广泛的制孔工艺,钻孔质量对零件的装配度等的重要程度不可忽视。但因为CFRP各向异性、层间粘结度低等特点,在钻孔过程中容易造成分层、毛刺、撕裂等缺陷,CFRP零件装配度、结构强度降低,使加工成本升高。所以如何质量高、成本低、效率快得实现CFRP钻削加工近年来一直是研究课题的关键。论文研究工作如下:首先,对CFRP切削加工过程纤维的承受载荷情况进行分析,以双参数弹性梁理论为基础,通过纤维承受载荷情况下的二维切削模型和三维切削模型,分析CFRP钻削过程及损伤产生机理。然后,基于损伤失效模型,对碳纤维复合材料层合板的钻削过程进行有限元建模。在树脂损伤和纤维损伤中,发现其形貌主要受刀具横刃和主切削刃影响,树脂与纤维应力分别呈圆形和十字形分布。通过对碳纤维板钻入口和钻出口形貌进行分析,发现钻入口材料破坏程度明显低于钻出口材料破坏程度。通过钻削过程分析,将钻削历程分为钻入、稳削和钻出三个阶段,其中稳态钻削时平均钻削力为266.5N(v=200mm/min,n=2500r/min)。最后,使用热压罐成型工艺制造复合材料构件,通过控制反应压力和温度,制备平面型和弯曲型的碳纤维板。以主轴转速、进给速度、钻头直径为设计变量,进行CFRP钻削正交实验,并与数值模拟结果进行对比,证明所创建的模型具有一定的可靠性和准确性。利用方差分析法探究钻削工艺参数对分层因子的影响,各个钻削加工参数对分层因子的影响显著性排序为:进给速度>转速>钻头直径。通过建立的分层因子RBF人工神经网络预测模型,发现同实验测得的分层因子数值吻合程度较为良好,预测值同实验值最大相对误差是6.09%。通过不同曲率半径的弯曲碳纤维板钻削正交实验,发现碳纤维板的半径对分层因子有影响,碳纤维板的半径越大,分层因子的值越大,碳纤维板破坏程度越大,钻孔质量越差。图 47 表 8 参 85

关键词：航空复材钻削损伤正交实验分层因子

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碳纤维复合材料钻削加工仿真与实验研究

碳纤维复合材料钻削加工仿真与实验研究

作者：张迎信华北理工大学

学位级别：硕士

碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer Composites,CFRP)以其质量轻、强度大、抗疲劳等卓越的性能,在航空航天、汽车、建筑等重要领域的应用日益广泛。钻削是机械加工中较为常用的制孔工艺,钻孔质量对于零件的装配精度、可... 详细信息

碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer Composites,CFRP)以其质量轻、强度大、抗疲劳等卓越的性能,在航空航天、汽车、建筑等重要领域的应用日益广泛。钻削是机械加工中较为常用的制孔工艺,钻孔质量对于零件的装配精度、可靠性具有十分重要的影响。然而由于CFRP硬度大、各向异性、层间结合强度低等性质,以及切削用量、刀具几何参数的选用不合理等因素,在钻削加工时容易造成分层、毛刺、撕裂等加工质量缺陷,进而导致CFRP零件的装配精度降低、结构强度下降、加工成本增加等问题。因此,实现对CFRP高质量、高效率、低成本的制孔加工已成为近年来制造领域一项重要的研究课题。建立了CFRP钻削加工仿真模型,并与相关文献的实验研究做了对比,验证了仿真模型的准确性。以主轴转速、进给量、钻头顶角为设计变量,基于响应曲面法及Box-Behnken试验设计进行了CFRP钻削仿真试验,建立了钻削轴向力的预测模型,并根据响应曲面和等高线图综合分析了三个变量对轴向力的影响作用。同时,采用正交试验法进行了CFRP钻削仿真试验,利用极差和方差分析了三个变量对分层因子的影响作用,建立了分层因子的人工神经网络预测模型与多元线性回归预测模型。综合利用人工神经网络的非线性拟合能力与遗传算法的全局寻优能力,获得了使分层因子达到最小的钻削参数组合。研究结果表明:轴向力和分层因子随主轴转速的增加而降低,随进给量和顶角的增加而增加;对轴向力和分层因子影响的大小顺序依次为:进给量、主轴转速、顶角。分层因子的人工神经网络与多元线性回归预测模型的预测误差最大分别为3.1%和7.4%。在实际加工中,宜适当地提高主轴转速,降低进给量和减小钻头顶角,以降低钻削轴向力,减少钻削CFRP时的分层、撕裂等缺陷,进一步改善制孔质量。研究所采用的方法也为CFRP钻削加工中切削温度、刀具磨损等问题的研究提供一定的指导。

关键词： CFRP 钻削有限元仿真轴向力分层因子

碳纤维复合材料低频振动钻削力和表面缺陷研究

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碳纤维复合材料低频振动钻削力和表面缺陷研究

作者：杨福杰西安理工大学

学位级别：硕士

碳纤维复合材料由于其具有优良的物理和力学性能,在飞机领域、汽车制造、装备制造、体育用品等领域广泛使用。采用碳纤维复合材料制作结构零件通常需要加工出连接孔,以满足装配需求,然而作为一种特殊结构的难加工材料,加工时容易产生缺... 详细信息

碳纤维复合材料由于其具有优良的物理和力学性能,在飞机领域、汽车制造、装备制造、体育用品等领域广泛使用。采用碳纤维复合材料制作结构零件通常需要加工出连接孔,以满足装配需求,然而作为一种特殊结构的难加工材料,加工时容易产生缺陷及质量问题,影响零件的使用。本文对碳纤维复合材料低频振动钻削力和表面缺陷进行研究,具有重要理论意义和应用价值。论文从碳纤维复合材料的切削机理入手,分析了不同纤维方向下的切削形式、切屑形成方式与表面质量之间的关系,得到了低频振动钻削过程中切削厚度的变化规律,成功解释了低频振动钻削过程中钻削力的形成原因,以此为基础,建立了麻花钻临界轴向力模型。建立了碳纤维复合材料应力-应变关系和基于Hashin失效准则的损伤模型,通过ABAQUS仿真分析,得到了碳纤维复合材料层合板在钻削过程中不同阶段的Mises应力变化特征,通过仿真和试验结果对比分析,钻削过程最大轴向力和平均轴向力误差均在15%以内,验证了仿真模型的有效性。以单向和编织两种碳纤维复合材料层合板为对象,采用单因素和多因素正交试验方法,研究了振幅、进给量和钻削速度对钻削轴向力和扭矩的影响,建立了轴向力和扭矩的经验回归模型,研究结果表明:碳纤维复合材料低频振动钻孔时瞬时轴向力大于传统钻孔方式,但平均轴向力远小于传统钻削。提出了一种基于图像处理的孔口分层缺陷面积的计算方法,通过计算分层因子,建立了分层因子预测模型,获得了振幅对孔圆度和孔壁粗糙度的影响规律,研究结果表明:低频振动钻削是解决碳纤维复合材料孔加工的一种有效方法。

关键词：碳纤维复合材料低频振动钻削钻削力分层因子

CFRP超声振动辅助钻孔机理分析及工艺参数优化

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CFRP超声振动辅助钻孔机理分析及工艺参数优化

作者：金杨杨南昌航空大学

学位级别：硕士

碳纤维复合材料(Carbon fiber reinforced plastics,CFRP)因其比强度高、耐腐蚀、密度小等优越性能,在航空航天领域广泛应用,但是CFRP具有各向异性、导热性差、层间强度低的特点,且航空航天领域对加工质量要求极高,传统钻孔工艺加工过... 详细信息

碳纤维复合材料(Carbon fiber reinforced plastics,CFRP)因其比强度高、耐腐蚀、密度小等优越性能,在航空航天领域广泛应用,但是CFRP具有各向异性、导热性差、层间强度低的特点,且航空航天领域对加工质量要求极高,传统钻孔工艺加工过程中常出现毛刺、撕裂和分层缺陷,难以满足高效高质量加工需求。超声振动辅助钻孔加工技术是一种重要特种加工技术,应用于CFRP钻孔加工有独特的优势,其在加工过程中可以显著降低轴向力。本文以CFRP超声振动辅助钻孔为研究对象,对轴向力和损伤机理进行分析,通过有限元建模研究加工参数、超声参数、纤维铺层和刀具顶角对钻孔质量的影响,利用遗传优化神经网络对轴向力和分层因子进行预测,并对加工参数进行多目标优化。首先,基于对超声振动辅助钻孔刀具的钻削厚度和钻削速度的分析,利用微元法建立CFRP超声振动钻孔轴向力数学模型。分析了CFRP钻孔产生缺陷的原因和缺陷种类,并采用一维分层因子来评估分层缺陷。其次,考虑CFRP材料层内和层间失效,通过对ABAQUS进行二次开发,建立CFRP超声振动辅助钻孔三维实体仿真模型。与普通钻孔相比,超声振动辅助钻孔的轴向力降低了29.3%,可以抑制分层损伤,提高钻孔质量。然后,通过轴向力和分层缺陷之间的关系,建立CFRP钻孔分层损伤临界轴向力理论模型。从加工参数、材料铺层和刀具结构参数三方面研究对分层损伤的控制方法,通过单因素变量法进行CFRP钻孔仿真实验,得到加工参数、超声参数、纤维铺层和刀具顶角对分层损伤的影响规律。最后,通过正交实验设计获得训练样本,利用神经网络非线性映射能力和遗传算法,建立轴向力和分层因子的GABP神经网络预测模型,得到模型预测值与有限元仿真值之间相对误差在8%以内。为了实现在CFRP钻孔过程中同时获得高效率、高质量的目标,建立加工参数多目标优化模型,以MOEA/D遗传算法对其求解。

关键词：碳纤维复合材料超声振动辅助钻孔分层因子遗传优化神经网络多目标优化