CFRP三维铣削仿真模型的建立及层间损伤分析

发布时间：2024-03-26 21:01

　　碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有层间结合强度低、各向异性等特点,切削过程中易产生层间损伤。为了对CFRP铣削加工过程中的层间应力、层间损伤进行研究,建立了复合材料三维铣削仿真模型。该模型在结构上采用等效均质建模,层内单元利用VUMAT子程序建立了三维Hashin起始失效准则以及损伤演化过程模型,层间采用Cohesive单元连接以模拟层间损伤的产生及扩展。通过与实验切削力数值的比较,验证了仿真模型的准确性。利用该模型分析了切削力、层间应力及层间损伤随纤维方向角(0°、45°、90°、135°)的变化规律。结果表明:铣削过程加工损伤主要集中在近工件表面。铣削力、层间应力、层间损伤受纤维方向角的影响,纤维方向角为90°与135°时,轴向铣削力较大,层间应力与层间损伤均随纤维方向角的增加而增大,纤维方向角为135°时,层间应力最大,层间损伤最严重。

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【部分图文】：

图1Cohesive单元应力应变关系

层间通过Cohesive单元连接并传递应力，Cohesive单元应力应变相应如图1所示，在切削载荷作用下，Cohesive单元发生线弹性变形，达到临界等效应力后产生损伤发生刚度退化，最终单元删除，层间开裂。采用二次名义应力准则作为层间单元损伤起始判据，此准则用公式（10）表示。当....

图2铣削CFRP有限元模型

三维铣削CFRP有限元模型主要由三大部分组成：刀具、层合板、层间部分，由于尺寸及层数的增加会导致计算效率急剧降低，而层间应力及损伤主要集中在切削区，故将模型简化为如图2所示，工件的尺寸为5mm×3mm×2mm，分为4层，每层厚0.5mm；层与层之间设置Cohesive单元。....

图3铣削实验设置

工件尺寸大小为250mm×120mm×2.5mm。如图3所示，CFRP层合板通过两块压板固定以降低切削过程中振动，刀具采用Φ10mm硬质合金铣刀，铣刀结构参数见表2。铣刀通过逆铣的方式沿着工件的长边缘不断向前进给，工件厚度为2.5mm，因而切削深度ap为2.5mm，其....

图4CFRP单向板切削力随纤维方向角的变化

图4为铣削CFRP单向层合板的三向切削力随纤维方向角的变化规律。由于仿真中模型厚度的增加会导致计算时间的急剧增加，因此实验与仿真均取单位厚度的切削力（N/mm）进行对比验证，其中实验与仿真的铣削力分别取稳定切削区域的切削力峰值的平均值。通过对比切削不同纤维方向角的CFRP产生的切....

本文编号：3939676