[发明专利]一种考虑变形的复合材料板钻削分层临界轴向力计算方法

说明书

一种考虑变形的复合材料板钻削分层临界轴向力计算方法，针对厚度较小的碳纤维复合材料钻削分层缺陷，考虑在钻削过程中复合材料构件的弯曲变形对钻削分层的影响，计算出产生分层缺陷的临界轴向力，有效预测在钻削过程中的分层缺陷。同时考虑刀具横刃和主切削刃的共同作用，把刀具横刃部分受到的轴向力等效为集中力作用，而刀具主切削刃受到的轴向力等效为均布力作用，运用虚位移原理最终求出考虑复合材料整体和局部弯曲变形的钻削分层临界轴向力。本发明充分考虑了刀具在钻削过程中的受力情况以及复合材料的变形情况，建立碳纤维复合材料钻削分层缺陷预测模型，计算出了钻削分层临界轴向力，对抑制碳纤维复合材料钻削分层缺陷具有很好的作用。

技术领域

本发明属于机械加工中的钻削技术领域，涉及一种碳纤维复合材料板钻削分层临界轴向力的计算方法。

背景技术

碳纤维增强树脂基复合材料具有比强度大、比模量高、性能可设计等特征，是非常典型的轻质高强材料，已经在航空航天、交通运输等领域得到广泛应用。而复合材料在加工过程中产生的分层、撕裂等缺陷会严重影响复合材料的性能，其中碳纤维复合材料分层缺陷被认为是复合材料加工过程中最严重的一种，钻削轴向力是引起分层的直接因素，特别是当复合材料构件的刚度较低时，在钻削轴向力的作用下构件产生较大的弯曲变形，会加剧钻削分层缺陷的产生。当钻削轴向力超过某一确定值时就会出现分层缺陷，把这一确定值称为碳纤维复合材料钻削分层的临界轴向力。

近年来，国内外学者对碳纤维复合材料钻削分层缺陷进行广泛研究。先后提出了碳纤维复合材料钻削产生分层缺陷的临界轴向力理论公式及计算方法，为碳纤维复合材料钻削分层的预测及抑制提供了理论基础。Karimi和Ismail考虑复合材料的各向异性，推导出钻削碳纤维复合材料产生分层缺陷的临界轴向力。Qi在Jain的理论预测模型基础上建立了CFRP与金属叠层的分层临界轴向力预测模型。Zhang运用经典层合板理论，考虑复合材料各向异性建立了单向及多向非对称复合材料层合板临界轴向力预测模型。(参见论文Qi Z,Zhang K,Li Y,et al.Critical thrust force predicting modeling fordelamination-free drilling of metal-FRP stacks[J].Composite Structures,2014,107(1):604-609.和N.Z.Karimi,H.Heidary,G.Minak,Critical thrust and feedprediction models in drilling of composite laminates,Compos.Struct.148(2016):19-26.和S.O.Ismail,S.O.Ojo,H.N.Dhakal,Thermo-mechanical modelling of FRPcross-ply composite laminates drilling:delamination damage analysis,Compos.B:Eng.108(2017):45-52.)

目前，碳纤维复合材料钻削分层缺陷的临界轴向力计算方法没有考虑当复合材料构件厚度较小、刚度较低时，钻削作用力导致的构件弯曲变形对钻削分层的影响。

发明内容

针对上述问题，本发明为研究在钻削厚度较小的碳纤维复合材料构件时产生的分层缺陷，发明一种考虑弱刚度复合材料板弯曲变形的钻削分层临界轴向力计算方法。该方法考虑了复合材料各向异性，以及碳纤维复合材料板因刚度不同而产生不同的弯曲变形时的临界轴向力。同时，把刀具受到的轴向力分解为刀具主切削刃和横刃的轴向力。本发明是根据虚位移原理把碳纤维复合材料钻削时受到的轴向力做的总功，转化为复合材料试件弯曲变形所储存的应变能与材料层间产生分层所释放的能量之和，最终计算出考虑不同厚度的复合材料构件的钻削分层临界轴向力。

本发明的技术方案：

一种考虑弯曲变形的弱刚度复合材料板钻削分层临界轴向力的计算方法，步骤如下：