基于cfrp切削过程仿真的面下损伤形成分析-殷俊伟.pdf

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1、 第 52 卷第 17 期 2016 年 9 月 机 械 工 程 学 报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Vol.52 No.17 Sep. 2016 DOI： 10.3901/JME.2016.17.058 基于 CFRP 切削过程仿真的面下损伤形成分析*殷俊伟 贾振元 王福吉 陈 晨 张博宇 (大连理工大学机械工程学院 大连 116024) 摘要： 由于碳纤维增强树脂基复合材料 (Carbon fiber reinforced plastic， CFRP)宏观上呈现非均质、各向异性，细观上表现为纤维和树脂的特殊混合形态，导致其制件加工过程中极易产生分层、

2、开裂等损伤，严重影响其制件的加工精度及承载性能。研究 CFPR 加工损伤产生机理并以此降低加工损伤是提高其加工质量的关键。基于宏观各向异性本构、 Hashin 失效起始准则及损伤演化，建立了可实现任意纤维角度单向板连续动态切削过程仿真分析的直角切削有限元模型，分析了任意纤维角度CFRP 单向板连续切削过程面下损伤，得到了纤维角度、切削参数、刀具结构对面下损伤深度的影响规律。具体结果：纤维角度为影响面下损伤的主要因素，随纤维角度增大，切削力增大同时面下损伤深度也明显增加；面下损伤的主要原因为切削力过大导致的基体破坏及扩展；对于 135单向板面下损伤深度随刀具前角增大呈先增大后减小的趋势。 关键词

3、 ： 碳纤维增强树脂基复合材料；有限元仿真；连续切削过程；面下损伤 中图分类号 ： TB332 FEM Simulation Analysis of Subsurface Damage Formation Based on Continuously Cutting Process of CFRP YIN Junwei JIA Zhenyuan WANG Fuji CHEN Chen ZHANG Boyug (School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024) Abstract： On

4、 account of heterogeneous and anisotropic nature of the carbon fiber reinforced plastic (CFRP) in macroscopy and a special state of fiber-resin mixture in microscopy, delamination, cracks, etc. are easily generated in the manufacturing process, which greatly reduces the bearing capacity and machinin

5、g accuracy of final parts. The key to improve machining quality lies in exploring the mechanism of CFRP subsurface damages for the purpose of damage reduction. In this paper, the orthogonal cutting simulation model that can realize the unidirectional CFRP continuously dynamic cutting process at any

6、fiber orientation is developed based on macroscopic anisotropy constitutive behaviors, Hashin initial failure criterion and the damage evolution. Also analysis of subsurface damages in the unidirectional CFRP continuously dynamic cutting process of is made to acquire influences of fiber orientation,

7、 cutting parameters and tool geometries on the damage depth. Detailed results are listed as follows: Subsurface damages are mainly impacted by fiber orientation, and with the increase of the orientation, the cutting force rises, and so is the damage depth. The mechanism of subsurface damages is matr

8、ix fractures led by excessive cutting force and the resulting damage propagation; the damage depth first increases and then decreases with the augment of the tool rake angle for unidirectional CFRP with 135 fiber orientation. Key words： carbon fiber reinforced plastic(CFRP)； finite element analysis；

9、 continuously cutting process； subsurface damage 0 前言*碳纤维增强树脂基复合材料 (Carbon fiber reinforced plastic， CFRP)具有轻质高强、抗腐蚀、吸振好以及可设计性等优点，在先进大飞机承力构 国家重点基础研究发展计划， (973 计划 2014CB046503)，国家自然科学基金（ uis08207,51575082）和教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET-13-0081)资助项目。 20150811 收到初稿， 20160403 收到修改稿 件中应用越来越广泛1-2。 虽然大型复合材料制件通常是整体制造

10、，但仍需要进行大量制孔、切边等切削加工来满足连接及装配需求。与普通复合材料制件相比，大型复合材料构件对复杂服役环境下寿命和可靠性要求更高，因此，对其连接部位的加工质量提出了更为苛刻的要求。然而， CFRP 非均质、各向异性特征，导致其加工特点完全不同于金属材料，加工中极易出现分层、开裂等加工质量问题3，严重影响了 CFRP 制件的使用性能。 万方数据月 2016 年 9 月 殷俊伟等：基于 CFRP 切削过程仿真的面下损伤形成分析 59 研究 CFRP 加工损伤产生机理及影响因素，进而采取措施减少加工损伤，提高其加工质量，已成为碳纤维复合材料工程应用关注的重点4-6。 由于复材体系和铺层形式多

11、样，且加工过程中存在任意纤维角度的切削过程，不仅导致切削力、加工损伤的影响因素较多，而且各影响因素之间还存在复杂的关联关系，可见，单纯依靠试验来研究 CFRP 的切削过程，成本较高且试验量庞大。近些年来，学者们开始专注于 CFRP 切削过程有限元仿真的研究，通过有限元方式模拟任意纤维角度单向板的切削过程，以较低的试验成本及时间，分析研究任意纤维角度单向板的切削过程7。例如： AROLA 等8-9利用所建立的复合材料切削有限元模型，仿真分析了纤维角度对切削力的影响规律，得出纤维角度在0 90范围内变化时， 切削力随纤维角度的增大而增大的结论。 BHATNAGAR 等10-11利用所建立的复合材料

12、切削有限元模型，模拟了复合材料的面下损伤， 认为采用 Hashin 失效准则的仿真结果与试验更为接近，其认为当纤维角度在 0 90范围内变化时，刀具刚切入时的面下损伤随纤维角度的增大而增大。 SOLANI 等12建立了基于 Hashin 失效准则的面下损伤预测模型，讨论了网格密度、形状、方向以及断裂能对损伤预测的影响，实现了单一切屑形成过程中的损伤形成及演化过程预测，并对切削力进行了预测。但是，上述学者所建立的复合材料切削有限元模型只能模拟刀具刚切入时的应力状态，无法模拟连续切削过程的材料应力状态，因而无法实现工件材料面下损伤的完整表征。 因此，本文基于虑及损伤的本构模型及 Hashin失效准

13、则，建立了 CFRP 单向板的直角切削有限元宏观模型，该模型可模拟碳纤维复合材料连续稳定成屑过程，以此预测动态切削过程中的面下损伤随纤维角度、切削参数、刀具结构的变化规律。这样，不仅可节省大量实际成本，而且可方便推广到研究不同体系材料加工过程中的损伤情况。 1 UD-CFRP 直角切削仿真模型 1.1 有限元模型 通过有限元仿真预测切削加工中面下损伤的前提是实现任意纤维角度单向板连续动态切削过程的模拟。非均质、各向异性的碳纤维增强树脂基复合材料的切削过程是一个有着连续动态接触关系，包含各向异性材料失效起始及演化的复杂动态过程，且呈现出强烈的非线性特征。本文以求解非线性问题能力较强的 ABAQU

14、S 软件作为分析工具，通过 ABAQUS/Explicit 模块建立 CFRP 单向板直角切削加工宏观有限元模型。该模型将 CFRP 单向板定义为考虑各向异性线弹性本构二维平面模型。采用 Hashin 失效准则作为材料失效破坏的起始判据，并引入最大刚度退化系数以考虑加工损伤对材料性能影响，实现切削过程中各向异性材料失效起始及演化过程的准确表征。切削过程中刀具以恒定速度切削工件，工件通过夹具固定，悬出部分的根部自由度完全约束。模型中刀具定义为刚体材料，并通过其上一参考点来控制刀具的运动，给定刀具的切削速度， 该速度以光滑加载方式由零增加到最终值，然后维持刀具切削速度恒定。如图 1 所示，为碳纤维

15、复合材料直角切削过程仿真的几何模型及边界条件。为兼顾计算精度与求解效率，整体网格采用四边形平面应力单元，局部接触区采用细分的四边形网格。仿真分析中所使用的 CFRP 力学性能参数如表 1 所示。 图 1 切削加工几何模型及边界条件 表 1 CFRP 复合材料性能参数 参数 数值 纤维纵向弹性模量 E1/GPa 143 纤维横向弹性模量 E2/GPa 9.6 面内剪切模量 G12/GPa 5.2 泊松比 12 0.29 纤维纵向拉伸强度 XT/MPa 2 165 纤维纵向压缩强度 XC/MPa 1 459 纤维横向拉伸强度 YT/MPa 35 纤维横向压缩强度 YC/MPa 215 剪切强度 /

16、MPa 137 密度 /(g/cm3) 2 1.2 材料去除及损伤 CFRP 切削加工中的材料破坏过程是一个复杂的渐进失效过程，在切削力作用初期，纤维 /基体相达到初始破坏条件后开始失效，破坏的初始在宏观上无直接表现， 细观上表现为纤维断裂及基体裂纹，随着切削力的持续作用，纤维断裂及基体裂纹不断扩展并导致材料整体性能逐渐退化，直至完全破坏而从工件分离。此渐进失效破坏过程中包含了应力分析、 失效起始判定及损伤演化的过程。 离散相 （纤维）变形至断裂的过程中，作为连续相的基体在纤维变形过程中起到应力传递作用，而其强度远小于纤维强度，极易在应力传递过程中达到其极限强度万方数据 机 械 工 程 学 报

17、 第 52 卷第 17 期 期 60 而失效破坏。加工面以上的纤维及基体失效破坏看作为材料去除，而加工面以下的基体失效及扩展则视为面下损伤。 复合材料失效破坏可通过多种准则来判断，如最大应力， Hoffman 及 Hashin。其中， Hashin 失效准则可有效表征区分纤维、基体的多种失效模 式13-14。因此，本文基于 Hashin 失效准则，考虑四种不同失效模式及损伤演化过程，仿真分析了其连续动态切削过程，实现了面下损伤的仿真。 Hashin失效准则同时考虑了正应力和剪应力的耦合作用，包含了 Hoffman 及最大应力失效准则的内容，定义以下四种失效模式。 当11 0 时，纤维拉伸断裂失

18、效 2211 12tfTLFXS (1) 当11 0 时，纤维压曲断裂失效 211cfCFX(2) 当22 0 时，基体拉剪开裂失效 2222 12tmTLFYS(3) 当22 0 时，基体压剪破碎失效 222 22 121CcmTTCLYFSSYS (4) 式中，11，22，12表示有效应力张量 ( )，用其来判定失效起始，其为实际计算应力的函数 M (5) 式中，表示实时计算得到的应力； M 为损伤控制参量 1001()1001()1001()fimisiduMdudu(6) 式中，()f idu， ()midu， ()s idu分别表示纤维、基体及剪切损伤的内部损伤变量，其中iu 表示实

19、时计算的节点位移。将上述三变量根据四种失效模式下的应力状态拆分为四个相应的损伤变量。 纤维拉伸 () ()tf ifidu du(7) 纤维压曲 () ()cf ifidu du(8) 基体拉剪 () ()tmi midu du (9) 基体压剪 () ()cmi midu du (10) 根据切削过程中的实时应力计算结果逐一判断四种失效模式，一旦其中一种模式达到失效条件1F ， 即开始考虑损伤控制参量， 获得有效应力 ，以此模拟包含渐进损伤的材料去除及面下损伤形成过程。其中，加工表面以上材料的失效破坏为材料去除过程，而对于加工表面以下材料，其考虑损伤变量的基体拉剪 /压剪失效破坏 ( 1cm

20、F )即为面下 损伤。 2 结果与讨论 2.1 仿真参数 通过 ABAQUS/Explicit 模块建立 UD-CFRP切削加工有限元模型，仿真分析了 0 180纤维角度 UD-CFRP 连续动态切削过程，工件尺寸为100 mm40 mm，工件材料为 CFRP 复合材料 (表 1)15-16， 仿真分析中刀具几何与切削参数如表 2 所示。 表 2 切削参数和刀具几何参数 前角 /() 25,10 刀具几何参数 后角 /() 10 切削深度 /m 50,100,150 纤维方向 /() 0 180 加工参数 切削速度 /(mm/min) 500 2.2 切削力 基于连续动态切削过程的仿真分析获得

21、了任意纤维角度 CFRP 单向板的切削力变化规律，并通过直角切削试验研究了 0、 45、 90、 135四种典型纤维角度 CFRP 单向板的切削力变化规律，试验中采用了与仿真分析相同的切削参数。如图 2 为仿真与试验切削力对比结果，仿真切削力与试验值随纤维角度变化趋势吻合，由此可以验证复合材料切削有限元模型的正确性。 2.3 面下损伤随纤维角度变化规律 仿真分析获得了在不同切削参数及刀具角度下切削任意纤维角度 CFRP 单向板的面下损伤。面下损伤仿真结果包含了纤维拉伸失效、压缩失效，基体拉剪失效、压剪失效四种失效模式，其中基体拉剪和压剪失效导致的损伤深度 (dD)明显大于纤维万方数据月 201

22、6 年 9 月 殷俊伟等：基于 CFRP 切削过程仿真的面下损伤形成分析 61 拉、压失效模式，以此证明切削力作用下的基体破坏为导致面下损伤的根本。 图 2 CFRP 单向板切削力随纤维角度的变化规律 本文以基体压剪 /拉剪失效模式表征不同切削过程中的面下损伤程度。如图 3 所示为四种典型纤维角度单向板直角切削已加工表面的面下损伤仿真 结果，其中切削速度 vc=500 mm/min，实际切深ac=150 m，前角 =10，后角 =10。结果表明在相同的切削参数及刀具角度下，已加工表面面下损伤程度 (dD)受纤维角度变化影响明显，且面下损伤深度与切削力随纤维角度的变化趋势基本一致，如图 4 所示

23、，其中切削速度 vc=500 mm/min，实际切深 ac=150 m，前角 =10，后角 =10。面下损伤深度随纤维角度增大呈先增加后减少的趋势且当纤维角度为 135时面下损伤深度最大。纤维角度为0 45范围时，面下损伤深度相对较小，增幅也较小；随纤维角度的进一步增大，面下损伤对纤维角度的增大极其敏感，增幅变大。由此可知，切削大于 90单向板时，更易产生面下损伤，其中， 135单向板面下损伤最为严重。 图 3 纤维方向对 CFRP 单向板面下损伤深度的影响 万方数据 机 械 工 程 学 报 第 52 卷第 17 期 期 62 图 4 切削力对 CFRP 单向板面下损伤深度的影响 2.4 面下

24、损伤随切深变化规律 四种典型纤维角度单向板在不同切削深度下的切削力及面下损伤深度仿真结果如图 5 所示，其中切削速度 vc=500 mm/min，前角 =25，后角=10。对于相同纤维角度单向板，其面下损伤深度与切削力均随切深的增加而增大。对于不同纤维角度单向板， 随切深增加切削力的增大幅度明显不同。 特别地，对于切削纤维角度大于 90的单向板时，如 135单向板，随切深增加切削力的增幅更为明显。致使材料更易产生较大弹性变形，从而增大 切削力的影响范围，基体更易发生脆性破坏。因而， 其面下损伤深度随切削深度的增加而增大，并且面下损伤深度的增幅与其他纤维角度单向板相比更为显著，这与图 4 所得结

25、论一致。 图 5 切深对 CFRP 单向板面下损伤深度的影响 2.5 面下损伤随刀具结构变化规律 针对 135单向板切削易产生面下损伤的问题，探究了刀具结构对切削 135单向板面下损伤的影响。获得了切削 135单向板面下损伤深度随刀具前角变化曲线如图 6 所示，其中 MT 为基体拉剪失效导致的损伤， MC 为基体压剪失效导致的损伤。 图 6 刀具前角对 CFRP 单向板面下损伤深度的影响 切削 135纤维角度单向板时，面下损伤深度随刀具前角增大而增大，主要原因在于前角增大切削力相应增大，且材料断裂前所需积蓄的变形量增加而更易导致基体失效破坏及扩展。而当前角进一步增大至大于 45时，面下损伤深度

26、明显减小。不同万方数据月 2016 年 9 月 殷俊伟等：基于 CFRP 切削过程仿真的面下损伤形成分析 63 前角切削示意如图 7 所示，其中切削速度 vc=500 mm/min，实际切深 ac=100 m。当前角大于 45时，切削时刀刃与材料直接接触，切断材料。材料断裂方式由原来的前刀面接触推挤至使材料产生弯曲变形后断裂过程变为刀刃直接切断材料过程。 图 7 不同刀具前角切削 135 CFRP 单向板的仿真结果 以上结果发现，在大纤维角度切削过程中，随着刀具前角的变化，材料去除过程可分为以下两种情形：当90 时，刀刃直接与纤维根部接触，在刀刃推挤作用下纤维在如图 8 所示的 A 点发生压碎

27、断裂，断裂位置与接触位置接近；当90 时，纤维自由端首先与前刀面接触，随着刀具的不断进给，纤维与基体同时沿前刀面滑移进而弯曲，直至先纤维长度方向上某点处所积蓄的应变能达到断裂能极限而弯断，如图 8 所示 B 点。 3 结论 本研究主要贡献为通过所建立虑及纤维、基体多种失效模式及演化的仿真模型，实现了基于连续动态切削过程的面下损伤仿真分析，获得了面下损伤的主要影响因素，主要结论如下。 (1) 纤维角度为影响面下损伤程度的主要因素，大纤维角度单向板切削时面下损伤程度大，其 图 8 135 CFRP 单向板断裂方式示意图 中 135单向板最易产生面下损伤，且最为严重。 (2) 面下损伤主要表现为切削

28、力作用下的基体拉剪 /压剪失效及其扩展，且随着切削力的增大，基体拉剪 /压剪失效更易发生， 面下损伤深度及区域相应增大。 (3) 面下损伤程度随切削深度增大而增大，其原因为切削深度增大导致切削力相应增大，大切削力作用下基体更易失效破坏，导致面下损伤相应 增加。 (4) 切削 135单向板时， 随着刀具前角的增大，切削力增大，纤维断裂前所需积蓄的变形能增加，即弯曲变形增大，基体破坏及沿纤维方向的扩展加剧；而前角增大至大于 45时，其面下损伤深度骤然减小。 参 考 文 献 1 陈绍杰 . 论我国先进复合材料产事业的发展 J. 高科技纤维与应用， 2013(1)： 1-11. CHEN Shaoji

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