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机械工程学报 2019年第11期55卷 197-204页

作者：王福吉胡海波张博宇马建伟赵猛大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室

碳纤维增强复合材料由于具有高比强度、高比模量等优异性能,广泛应用于先进装备的承力构件中。此类复材构件在铺放固化成型过程中易产生随机分布的分层缺陷,若缺陷区域与构件连接孔加工区域交叠,将使制孔损伤产生机制更加复杂、加工质... 详细信息

碳纤维增强复合材料由于具有高比强度、高比模量等优异性能,广泛应用于先进装备的承力构件中。此类复材构件在铺放固化成型过程中易产生随机分布的分层缺陷,若缺陷区域与构件连接孔加工区域交叠,将使制孔损伤产生机制更加复杂、加工质量更难以保证。为保障碳纤维复合材料构件的加工质量,揭示成型分层缺陷对制孔质量的影响机制,针对钻削过程中成型分层缺陷的动态演化行为进行研究,得到其在钻削过程中轴向力最大的横刃挤压阶段发生扩展的临界条件以及扩展长度的计算方法。基于此,结合钻削试验对预埋分层缺陷在制孔过程中的扩展行为进行在线观测,最终获得刀具作用位置对缺陷扩展行为的影响。该研究成果将为后续有关复材成型缺陷在钻削过程中扩展的抑制方法研究提供基础,也将为丰富复材损伤抑制理论作出贡献。

关键词：碳纤维增强复合材料钻削制孔成型分层缺陷缺陷扩展行为损伤抑制

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CFRP成型分层缺陷在钻削横刃挤压阶段的扩展规律研究

CFRP成型分层缺陷在钻削横刃挤压阶段的扩展规律研究

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作者：胡海波大连理工大学

学位级别：硕士

碳纤维复合材料(CFRP)轻质、高强,且具有可设计性,已广泛应用于航空航天等领域先进装备的承力构件制造中。这些复材构件,通常通过固化、铺放、加工装备进行一体化设计制造,其中固化过程是单层碳纤维在力场、温度场等多场耦合作用下的成... 详细信息

碳纤维复合材料(CFRP)轻质、高强,且具有可设计性,已广泛应用于航空航天等领域先进装备的承力构件制造中。这些复材构件,通常通过固化、铺放、加工装备进行一体化设计制造,其中固化过程是单层碳纤维在力场、温度场等多场耦合作用下的成型环节,往往直接决定着构件的性能。然而,由于碳纤维复合材料各组成相理化性质各异,构件在固化过程中易因弯折处树脂流动不均,内外表面固化不同步等因素,产生纤维皱曲、孔隙、分层等缺陷。其中分层缺陷是出现频率最高的成型缺陷,使得构件层间结合强度显著降低,严重影响构件力学性能。为满足连接装配需求,往往需对复合材料构件进行大量的制孔加工,在对已有成型分层缺陷的构件上进行钻削加工时,若成型分层缺陷分布区域与钻削区域相交叠,其由于层间结合强度低而更易在钻削过程中产生分层,使得制孔质量更难保证。而考虑到成型分层缺陷的不可避免性和分布随机性,若无法深入揭示成型分层缺陷在钻削过程中的动态演化规律,将难以保证碳纤维复合材料构件的高质高效制造生产,阻碍其在先进装备上的应用推广。针对以上问题,本文对成型分层缺陷在钻削加工中的扩展行为进行了理论和实验研究。考虑到钻削过程中轴向力最大的阶段为横刃挤压阶段,因此本文着重对横刃挤压作用下成型分层缺陷的动态行为进行理论计算和数值模拟。为更真实地表征成型分层缺陷,本文首先对成型分层缺陷进行无损检测,同时对碳纤维复合材料板的细观结构进行显微观测。基于对成型分层缺陷的尺度、形状、分布位置的统计结果,选取出现频率最大的特征进行缺陷表征和模拟;在此基础上,分别建立了用于计算成型分层缺陷扩展行为的二维力学模型和三维有限元模型。本研究得到的主要成果如下:(1)根据所获得的成型分层缺陷形、位、尺寸特征,基于成型分层缺陷钻削特点,建立了虑及未去除材料弹性支撑及层间界面弹性约束的缺陷扩展力学模型,求解出成型分层缺陷扩展的临界条件及扩展长度的计算方法。(2)利用ABAQUS商用有限元软件,建立了虑及碳纤维复合材料层叠特征的有限元模型,获得了刀具不同作用位置下,不同形状的成型分层缺陷扩展规律。(3)通过对含预制分层缺陷的实验样件进行实验,并将实验结果与理论结果及有限元仿真结果进行对比,验证了模型的正确性。本文的研究成果将为丰富复合材料加工理论作出贡献,同时也为后续有关分层损伤抑制的研究提供基础。

关键词：碳纤维复合材料成型分层缺陷钻削缺陷扩展行为分层损伤抑制

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