CFRP-金屬疊層結(jié)構(gòu)鉆削力建模與分層控制方法研究.pdf

1、航空航天產(chǎn)品的更新?lián)Q代和性能要求的不斷提升，對航空材料的各方面性能提出了更高的要求。作為先進(jìn)復(fù)合材料的重要一類，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic/Polymer，CFRP）由于比強(qiáng)度高、比模量大、耐腐蝕等特點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，形成大量的CFRP/金屬疊層（CMSs）機(jī)械連接結(jié)構(gòu)，麻花鉆及其改型鉆頭的鉆孔是完成CMSs機(jī)械連接的重要工藝。CFRP是由纖維和基體組成的多相結(jié)構(gòu)，

2、具有非勻質(zhì)性、各向異性、硬度高等特點(diǎn)，切削加工難度較大，極易出現(xiàn)分層損傷，對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件服役性能影響極大。CMSs制孔要求刀具參數(shù)和工藝參數(shù)同時(shí)滿足兩種材料的鉆削加工，對制孔工藝提出了更苛刻的要求。當(dāng)前工程中 CMSs制孔并沒有形成專業(yè)、系統(tǒng)的工藝方法，工藝參數(shù)的選擇主觀性大、工藝控制粗糙，導(dǎo)致制孔質(zhì)量不穩(wěn)定、產(chǎn)品報(bào)廢率高，嚴(yán)重影響了飛機(jī)裝配的質(zhì)量和效率。針對以上問題，本文圍繞 CMSs鉆削力建模與分層控制方法進(jìn)行研究，提出了 CFR

3、P三維多相細(xì)觀切削有限元仿真分析方法并深入揭示了CFRP細(xì)觀切削行為，建立了CFRP細(xì)觀切削力學(xué)模型，提出了五階段全周期瞬時(shí)鉆削力預(yù)測方法，建立了 CMSs鉆孔分層臨界軸向力預(yù)測模型，提出了鉆孔分層損傷控制策略。全文主要研究內(nèi)容及成果如下：
　　1）提出了CFRP三維多相細(xì)觀切削有限元仿真分析方法并深入揭示了CFRP細(xì)觀切削行為。定義特征體單元（Representative Volume Element，RVE）在簡單載荷情況下的

4、拉伸、壓縮、剪切、彎曲、層間剝離等基本變形形式，分別討論每種變形形式的受載情況及破壞方式，提取四種典型角度對細(xì)觀切削行為進(jìn)行分析，定性分析了不同情況下各種基本變形形式的權(quán)重及其變化規(guī)律。測量刀具刀尖形貌，綜合刀具設(shè)計(jì)中的前角、后角信息，提取 CFRP纖維、基體細(xì)觀幾何信息，建立了四種不同纖維方向角的直角切削細(xì)觀幾何模型，在ABAQUS環(huán)境下，基于定義材料本構(gòu)用戶子程序（User Subroutine to Define Material

5、 Behavior，VUMAT）分別定義基體和纖維的材料本構(gòu)，設(shè)置刀具與基體和纖維的接觸，應(yīng)用縮減積分沙漏控制的八節(jié)點(diǎn)線性實(shí)體單元 C3D8R，對不同纖維方向角的三維多相的CFRP直角切削模型進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真分析。輸出纖維方向角θ=0°、θ=45°、θ=90°、θ=135°的有限元仿真結(jié)果，分析其切屑形成方式、亞表層損傷規(guī)律、切削力變化規(guī)律等，并用掃描電鏡觀察實(shí)驗(yàn)件微觀形貌，與仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證對比，較好地揭示了細(xì)觀切削行為。
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6、）建立了CFRP細(xì)觀切削力學(xué)模型。對切削類型進(jìn)行精確的分界點(diǎn)討論，考慮臨近材料的背部支撐作用對變形的影響，基于最小勢能原理，采用半無限長RVE假設(shè)，得到RVE變形撓度的微分方程，進(jìn)一步得到其變形撓度曲線。在撓度曲線的基礎(chǔ)上，根據(jù)纖維強(qiáng)度極限計(jì)算刀尖刃口處產(chǎn)生的切削力，同時(shí)，分別計(jì)算前刀面和后刀面相關(guān)的切削力，最終建立了 CFRP的細(xì)觀切削力學(xué)模型，揭示了細(xì)觀切削行為，為鉆削力預(yù)測奠定基礎(chǔ)。搭建了切削力測量平臺，設(shè)計(jì)了 CFRP直角切削刀

7、具及夾具，完成了對力學(xué)模型的驗(yàn)證，并對比分析其結(jié)果，總結(jié)了各參量對制孔行為的影響規(guī)律，解釋了偏差產(chǎn)生的原因。
　　3）提出了五階段全周期瞬時(shí)鉆削力預(yù)測方法。進(jìn)行了鉆削加工模型解構(gòu)，探明了鉆削加工初級參數(shù)在細(xì)觀微元切削中的體現(xiàn)方式，建立了以纖維方向角為主的細(xì)觀參數(shù)的變化規(guī)律模型。在 CMSs鉆削工藝分析的基礎(chǔ)上，將鉆削過程劃分為五個(gè)階段，對每個(gè)階段內(nèi)的任意時(shí)刻進(jìn)行力學(xué)分析，沿主切削刃和橫刃劃分為無限個(gè)微元，對每個(gè)微元進(jìn)行切削力建模，

8、最后以極徑為積分變量進(jìn)行積分求解主切削刃切削力，同時(shí)基于接觸力學(xué)理論進(jìn)行橫刃切削力分析與建模，最終建立CMSs鉆削軸向力全周期預(yù)測模型，揭示了軸向力隨纖維方向角等初級參數(shù)的變化規(guī)律。
　　4）建立了CMSs鉆孔分層臨界軸向力預(yù)測模型，給出了鉆孔分層損傷控制建議。分析了CFRP鉆孔分層機(jī)理，應(yīng)用混合失效準(zhǔn)則和Camanho-Matthews剛度退化準(zhǔn)則表征層間損傷演化本構(gòu)關(guān)系，進(jìn)行鉆孔定性分析，確定分層產(chǎn)生的位置及擴(kuò)展速率等信息?？?/p>

9、慮不同疊層順序、邊界條件，進(jìn)行疊層結(jié)構(gòu)鉆孔受力分析，將CMSs鉆孔分為（a）從金屬到CFRP和（b）從CFRP到金屬兩種情況，基于板殼理論和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計(jì)算未切削層合板、金屬板、CFRP板等各部分的撓度函數(shù)，基于虛功原理建立裂紋擴(kuò)展能、軸向力虛功和工件變形能之間的關(guān)系，建立了不產(chǎn)生分層的臨界軸向力預(yù)測模型，并通過公式推導(dǎo)出絕對不產(chǎn)生分層的CMSs構(gòu)型要求。在未切削層合板和已切削層合板之間建立零厚度cohesive單元，應(yīng)用張力-