[发明专利]一种复合材料层合板钻削毛刺损伤的模拟方法

说明书

本发明一种复合材料层合板钻削毛刺损伤的模拟方法属于复合材料钻削仿真领域，涉及一种基于有限元仿真的复合材料层合板钻削毛刺损伤的模拟方法。该方法考虑了钻削复合材料时刀具对纤维和树脂的作用，基于ABAQUS有限元仿真计算软件，建立了包含纤维相和树脂相等的复合材料层合板的钻削仿真模型。模型分别设置了不同组成相的材料力学行为，并合理的定义了边界条件、接触方式和网格单元类型等参数。通过对仿真模型的计算，实现了复合材料层合板钻削的毛刺损伤形成过程的模拟，获得了钻削后的毛刺损伤情况。利用该方法能够实现对复合材料层合板钻削毛刺损伤的分析，适合于指导毛刺损伤的抑制。

技术领域

本发明属于复合材料钻削仿真领域，涉及一种基于有限元仿真的复合材料层合板钻削毛刺损伤的模拟方法。

背景技术

复合材料以其比强度、比模量高的特点，被广泛应用于航空航天领域。然而，由于复合材料在细观上包含纤维相和树脂相，纤维相强度较高不易去除；在宏观上呈现各向异性和层叠特性，层间结合强度较低。因此，在钻削复合材料工件过程中经常容易出现毛刺、撕裂、分层等损伤。这些损伤容易造成较大的装配误差，严重缩短了工件的使用寿命。所以，必须深入研究复合材料的钻削过程，分析钻削导致的毛刺、撕裂、分层等损伤的形成以指导损伤的抑制。通过实验方法进行上述研究，不仅材料和时间的成本高，钻削过程中产生的切屑也容易对人体造成伤害。另外，研究毛刺、撕裂需要从细观尺度在线观测，现有实验条件难以满足。

而有限元仿真是研究复合材料钻削导致的损伤的有效方法。首先，通过改变仿真模型的参数便可以获得不同加工条件下钻削导致的损伤情况，研究成本较低。其次，仿真计算的结果极易观测，便于从不同尺度上研究复合材料工件钻削导致的损伤。但是，为了实现复合材料层合板钻削的有效模拟，必须同时保证仿真模型的准确性和高效性。其中，模型的边界条件和约束的设置必须反映实际的钻削过程；为了实现复合材料的连续切削去除，必须为工件定义完整的材料力学行为，包括材料本构关系、失效起始判据和损伤演化准则，且上述材料力学行为必须真实反映复合材料的特性；同时还要选择一定的网格划分方式和仿真算法保证仿真模型的计算效率，以在有限时间内模拟复合材料的钻削。

近年来，学者针对复合材料钻削损伤的模拟进行了较为丰富的研究，主要利用基于等效均质假设，即EHM的宏观钻削仿真模型进行。2013年Isbilir等在《CompositeStructures》杂志发表的“Numerical investigation of the effects of drillgeometry on drilling induced delamination of carbon fiber reinforcedcomposites”基于Hashin失效准则和Cohesive单元建立了复合材料的宏观钻削仿真模型，并利用该模型模拟了复合材料钻削时的分层损伤。2016年Feito等在《CompositeStructures》杂志发表的“Numerical analysis of the influence of tool wear andspecial cutting geometry when drilling woven CFRPs”同时建立了复合材料的顶出和钻削仿真模型。其中，顶出模型简化了刀具运动，只考虑刀具进给时对工件的顶压作用，没有考虑刀具旋转；钻削模型则同时考虑了钻削时刀具的进给和旋转。该研究利用顶出模型分析了轴向力、底部约束和层叠顺序对分层损伤的影响；利用钻削模型分析了刀具结构、刀具磨损状态和加工参数对分层损伤的影响，能够指导分层损伤的抑制。但上述模型都将复合材料的每一铺层等效为宏观尺度的均质材料，主要考虑钻削时刀具对工件层间界面的作用，研究了钻削导致的分层损伤；而没有从细观尺度上考虑钻削时刀具对纤维和树脂的作用，无法实现对毛刺、撕裂等损伤的模拟，更难以抑制钻削引发的毛刺损伤。

发明内容