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CFRP/金属叠层结构钻削力建模与分层控制方法研究

齐振超  
【摘要】:航空航天产品的更新换代和性能要求的不断提升,对航空材料的各方面性能提出了更高的要求。作为先进复合材料的重要一类,碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic/Polymer,CFRP)由于比强度高、比模量大、耐腐蚀等特点,在航空航天领域应用越来越广泛,形成大量的CFRP/金属叠层(CMSs)机械连接结构,麻花钻及其改型钻头的钻孔是完成CMSs机械连接的重要工艺。CFRP是由纤维和基体组成的多相结构,具有非匀质性、各向异性、硬度高等特点,切削加工难度较大,极易出现分层损伤,对复合材料结构件服役性能影响极大。CMSs制孔要求刀具参数和工艺参数同时满足两种材料的钻削加工,对制孔工艺提出了更苛刻的要求。当前工程中CMSs制孔并没有形成专业、系统的工艺方法,工艺参数的选择主观性大、工艺控制粗糙,导致制孔质量不稳定、产品报废率高,严重影响了飞机装配的质量和效率。针对以上问题,本文围绕CMSs钻削力建模与分层控制方法进行研究,提出了CFRP三维多相细观切削有限元仿真分析方法并深入揭示了CFRP细观切削行为,建立了CFRP细观切削力学模型,提出了五阶段全周期瞬时钻削力预测方法,建立了CMSs钻孔分层临界轴向力预测模型,提出了钻孔分层损伤控制策略。全文主要研究内容及成果如下:1)提出了CFRP三维多相细观切削有限元仿真分析方法并深入揭示了CFRP细观切削行为。定义特征体单元(Representative Volume Element,RVE)在简单载荷情况下的拉伸、压缩、剪切、弯曲、层间剥离等基本变形形式,分别讨论每种变形形式的受载情况及破坏方式,提取四种典型角度对细观切削行为进行分析,定性分析了不同情况下各种基本变形形式的权重及其变化规律。测量刀具刀尖形貌,综合刀具设计中的前角、后角信息,提取CFRP纤维、基体细观几何信息,建立了四种不同纤维方向角的直角切削细观几何模型,在ABAQUS环境下,基于定义材料本构用户子程序(User Subroutine to Define Material Behavior,VUMAT)分别定义基体和纤维的材料本构,设置刀具与基体和纤维的接触,应用缩减积分沙漏控制的八节点线性实体单元C3D8R,对不同纤维方向角的三维多相的CFRP直角切削模型进行了动态仿真分析。输出纤维方向角θ=0°、θ=45°、θ=90°、θ=135°的有限元仿真结果,分析其切屑形成方式、亚表层损伤规律、切削力变化规律等,并用扫描电镜观察实验件微观形貌,与仿真结果进行验证对比,较好地揭示了细观切削行为。2)建立了CFRP细观切削力学模型。对切削类型进行精确的分界点讨论,考虑临近材料的背部支撑作用对变形的影响,基于最小势能原理,采用半无限长RVE假设,得到RVE变形挠度的微分方程,进一步得到其变形挠度曲线。在挠度曲线的基础上,根据纤维强度极限计算刀尖刃口处产生的切削力,同时,分别计算前刀面和后刀面相关的切削力,最终建立了CFRP的细观切削力学模型,揭示了细观切削行为,为钻削力预测奠定基础。搭建了切削力测量平台,设计了CFRP直角切削刀具及夹具,完成了对力学模型的验证,并对比分析其结果,总结了各参量对制孔行为的影响规律,解释了偏差产生的原因。3)提出了五阶段全周期瞬时钻削力预测方法。进行了钻削加工模型解构,探明了钻削加工初级参数在细观微元切削中的体现方式,建立了以纤维方向角为主的细观参数的变化规律模型。在CMSs钻削工艺分析的基础上,将钻削过程划分为五个阶段,对每个阶段内的任意时刻进行力学分析,沿主切削刃和横刃划分为无限个微元,对每个微元进行切削力建模,最后以极径为积分变量进行积分求解主切削刃切削力,同时基于接触力学理论进行横刃切削力分析与建模,最终建立CMSs钻削轴向力全周期预测模型,揭示了轴向力随纤维方向角等初级参数的变化规律。4)建立了CMSs钻孔分层临界轴向力预测模型,给出了钻孔分层损伤控制建议。分析了CFRP钻孔分层机理,应用混合失效准则和Camanho-Matthews刚度退化准则表征层间损伤演化本构关系,进行钻孔定性分析,确定分层产生的位置及扩展速率等信息。考虑不同叠层顺序、边界条件,进行叠层结构钻孔受力分析,将CMSs钻孔分为(a)从金属到CFRP和(b)从CFRP到金属两种情况,基于板壳理论和复合材料结构力学方法计算未切削层合板、金属板、CFRP板等各部分的挠度函数,基于虚功原理建立裂纹扩展能、轴向力虚功和工件变形能之间的关系,建立了不产生分层的临界轴向力预测模型,并通过公式推导出绝对不产生分层的CMSs构型要求。在未切削层合板和已切削层合板之间建立零厚度cohesive单元,应用张力-位移界面本构关系模拟分层的产生和扩展,提出了CMSs钻孔分层临界轴向力有限元仿真方法。进行CMSs钻孔分层临界轴向力实验,分两种情况将实验数据、理论模型预测数据、有限元仿真数据进行对比,分析了误差产生原因。


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