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玻璃纤维增强复合材料加工机理研究及有限元分析

高鑫  
【摘要】:在高精尖的武器装备及航空航天工程领域中均有复合材料的身影。复合材料做为一种新材料,具有轻质高强,防腐性好,抗疲劳性好,耐高温等诸多优异特点,正在逐步撼动传统金属材料的应用领域。但现在复合材料的成型技术,加工技术中还存在诸多难点,对其加工机理的研究也不够透彻。本文对玻璃纤维增强复合材料的钻削过程进行研究与分析,为其进一步的推广和应用提供技术支撑。论文主要研究内容如下:(1)对玻璃纤维增强复合材料的本征特性及力学特性进行了分析。包括:玻璃纤维的特性;玻璃纤维增强复合材料的物理化学性质及常用成型工艺;复合材料弹性力学;复合材料层板失效准则等。(2)以二元直角切削为理论基础,对钻削过程进行了研究,得到了钻削简化模型。通过刀具的受力,对其处于钻心位置、钻头主切削刃位置、钻头最外围的玻璃纤维进行受力分析,得到一系列结论:当纤维方向角与切削方向在0????90?时,切削表面较为平整,断口大致为平滑断口,在90????180?时,切削表面比较粗糙,断口大致为弯曲断口,其主要受到弯曲应力。如果垂直于加工表面的力足够大,玻璃纤维就会受到扭转,在切削力的共同作用下,那可能会产生倾斜断口。通过扫描电镜观察,发现主要断口类型为三种,分别是平滑断口、弯曲断口、倾斜断口,断口类型与玻璃纤维的受力有很大关系。(3)通过有限元仿真技术,对玻璃纤维增强复合材料的钻削过程进行模拟。运用ABAQUS/Explicit模块建立其仿真模型,通过不同工艺参数的仿真试验,得到结论:钻削轴向力随主轴转速增加而减小,随进给速度及钻头直径增加而增加。对2000r/min,120mm/min的钻削过程进行具体分析,在采用Hashin损伤准则的情况下,分析了玻璃纤维增强复合材料的损伤破坏过程。通过后处理模块对其钻削过程中的纤维和基体受力进行分析,发现纤维角度方向和其受力方向一致,且失效过程中,树脂基体将先于玻璃纤维,这与实际情况相同。(4)通过KISLTER测力设备,对玻璃纤维增强复合材料的钻削力进行采集与分析。研究了其在不同工艺参数下钻削力的分布情况,得到钻削轴向力与钻头直径和进给量成正比,与主轴转速呈反比的关系的结论,这与仿真试验相同。通过钻削实验研究了钻削过程中的孔壁表面质量。对加工过程进行总结,得到出入口常见缺陷为毛边,抽丝拉毛劈裂等,内部主要缺陷为粗糙度差,分层现象严重等。


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