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碳纤维复合材料(CFRP)钻削分层缺陷及其对承载性能的影响研究

马国锐  
【摘要】:碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic,CFRP)具有比强度高、比刚度高、性能可设计等优点,已成为航空航天和医疗设备等领域减重增效的首选材料。为了满足装配要求,CFRP成型后往往需要进行大量的制孔加工,但是在应用上制孔质量要求苛刻,制孔损伤一直是制约CFRP应用的主要因素。然而CFRP细观呈现多界面、多相态,宏观呈现各向异性等特征,使CFRP在制孔过程中易产生分层损伤,影响了复合材料的力学性能。而且当复合材料构件较薄时,制孔过程中易产生弯曲变形,加剧了分层缺陷的产生。本文从CFRP钻削制孔加工参数对钻削轴向力的影响规律研究着手,探究了钻削夹具孔直径大小对CFRP钻削轴向力的影响规律;建立了考虑CFRP整体弯曲变形的钻削分层临界轴向力预测模型,并进行了实验和仿真验证;最后,通过有限元方法探究了CFRP钻削分层缺陷对材料力学性能的影响规律。本文的主要研究内容概括为以下几点:(1)通过钻削实验研究了进给速度和刀具转速对CFRP钻削轴向力的影响规律,以及钻削夹具孔直径大小对CFRP钻削轴向力的影响规律。(2)分别考虑钻削过程中刀具横刃与主切削刃对CFRP的轴向力作用,并且考虑CFRP弯曲变形对轴向力的影响,建立CFRP钻削分层临界轴向力预测模型,推导出钻削分层理论临界轴向力。(3)建立有限元仿真模型得到钻削分层临界轴向力的仿真值,并通过先钻盲孔后冲孔的实验方法得到CFRP钻削分层临界轴向力的实验值,通过理论值、仿真值和实验值的对比对理论临界轴向力预测模型进行验证。(4)建立有限元仿真模型,对不同大小和位置的预制分层缺陷的开孔板进行拉伸和弯曲力学性能分析,得出钻削分层缺陷对材料力学性能的影响规律。


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