碳纖維復合材料去除過程的細觀仿真建模方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于有限元仿真切削領域，涉及一種碳纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料切削 加工中，材料去除過程的細觀仿真建模方法。
【背景技術】
[0002] 碳纖維復合材料是一種先進的復合材料，由于具有優(yōu)異的力學性能從而被廣泛應 用在航空、航天、汽車等機械制造領域。但是由于碳纖維復合材料構成的復雜性，對其去除 過程的研宄還沒有統(tǒng)一的理論，加工過程中會出現(xiàn)不同的損傷，這些損傷會嚴重影響復合 材料構件的使用壽命。因此，碳纖維復合材料的材料去除過程仍是復材加工領域研宄的重 點。
[0003] 目前，對其材料去除過程的研宄包含宏觀及細觀兩個層面。在宏觀層面上，將 其視為等效均質各向異性材料，可以反映宏觀切肩的整體行為，如〇° /135°切肩彎曲， 45° /90°剪切滑移，但無法對切削區(qū)域中各組成相的失效行為進行準確描述。因此， 很多學者在細觀層面上對碳纖維復合材料的去除過程展開研宄。已有方法多采用有限 元建模的方式，從細觀角度對材料去除過程進行了初步的討論，但也有不足之處：由于 未將界面相以及合適的材料模型同時整合到細觀仿真模型中，因此并不能很好地模擬碳 纖維復合材料界面開裂，纖維基體破壞等細觀去除過程。如G. VenuGopalaRao等，發(fā)表 的《Micro-mechanical modeling of machining of FRP composites-Cutting force analysis))一文在《Composites Science and Technology》雜志的 2007 年 67 期第 579-593 頁，建立多根，不同方向的細觀模型，由于沒有定義材料的失效準則，只能模擬界面開裂，無 法實現(xiàn)材料去除過程。因此，仿真分析結果很難與實際切削加工吻合，更無法對切削過程的 研宄提供參考。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術的缺陷，發(fā)明了一種碳纖維復合材料去除過程的細觀仿 真建模方法，探宄碳纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料的去除過程，利用ABAQUS有限元軟件進 行碳纖維復合材料切削的二維細觀建模，并采用多相建模的方法：有纖維相、基體相、界面 相和等效均質相。不同組成相使用不同的材料模型：纖維相使用Hashin失效準則，基體相 使用Shear損傷準則，界面相使用Cohesive界面單元。通過對細觀模型進行直角切削仿真 分析，從而得到不同纖維角度下碳纖維復合材料的去除過程。
[0005] 本發(fā)明采用的技術方案是一種碳纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料切削過程的細觀 仿真建模方法，其特征在于，仿真建模方法利用ABAQUS有限元軟件進行碳纖維復合材料切 削的二維細觀建模，采用多相建模方法有纖維相、基體相、界面相和等效均質相；不同組成 相使用不同的材料模型，材料模型分別基于各自的材料本構，損傷起始和演化準則，建立了 四種典型纖維角度的二維細觀切削模型，仿真建模方法的具體步驟如下：
[0006] 步驟1 :工件設置為二維變形體，不考慮刀具變形，設刀具為剛體，創(chuàng)建幾何模型；
[0007] 步驟2 :對切削區(qū)域網(wǎng)格進行細化處理，切削區(qū)內有纖維相、基體相和界面相，纖 維相和基體相之間要有界面相；為了提高計算效率，將不參與切削的工件部分定義為等效 均質相；
[0008] 步驟3:在工件上劃分網(wǎng)格，單元類型為平面應力單元；非切削區(qū)由于不參與切 肖IJ，所以網(wǎng)格密度由靠近切削區(qū)向遠離切削區(qū)逐級遞減，從而保證計算效率；不同組成相網(wǎng) 格生成方式及單元類型不同，纖維相、基體相采用結構性四面體網(wǎng)格，等效均質相采用自由 四面體網(wǎng)格；由于界面相其特殊的功能，單元需要掃略生成，單元類型為Cohesive單元；
[0009] 步驟4 :給不同相賦予相應的材料屬性；其中纖維相沿纖維角度和垂直于纖維角 度材料性能差別很大，所以將碳纖維作為正交各向異性材料處理油于碳纖維是脆性材料， 因此不考慮塑性變形的影響，使用慮及損傷的線彈性本構，失效準則為Hashin失效準則； [0010] 其中，所述的慮及損傷的本構模型為：
【主權項】
1. 一種碳纖維復合材料去除過程的細觀仿真建模方法，其特征在于，仿真建模方法利 用有限元軟件進行碳纖維復合材料切削的二維細觀建模，采用多相建模方法：有纖維相、基 體相、界面相和等效均質相；不同組成相使用不同的材料模型，材料模型分別基于各自的材 料本構，損傷起始和演化準則，建立了四種典型纖維角度的二維細觀切削模型，仿真建模方 法的具體步驟如下： 步驟1 :工件設置為二維變形體，不考慮刀具變形，設刀具為剛體，創(chuàng)建幾何模型； 步驟2 :對切削區(qū)域網(wǎng)格進行細化處理，切削區(qū)內有纖維相、基體相和界面相，纖維相 和基體相之間要有界面相；為了提高計算效率，將不參與切削的工件部分定義為等效均質 相； 步驟3 :在工件上劃分網(wǎng)格，單元類型為平面應力單元；不同組成相網(wǎng)格生成方式及單 元類型不同，纖維相、基體相采用結構性四面體網(wǎng)格；等效均質相采用自由四面體網(wǎng)格；由 于界面相其特殊的功能，單元需要掃略生成，單元類型為Cohesive單元； 步驟4 :給不同相賦予相應的材料屬性；其中，纖維相沿纖維角度和垂直于纖維角度材 料性能差別很大，所以將碳纖維作為正交各向異性材料處理；由于碳纖維是脆性材料，不考 慮塑性變形的影響，使用慮及損傷的線彈性本構，失效準則為Hashin失效準則； 其中，所述的慮及損傷的本構模型為：
式中，￡ι，ε2，γ12分別為纖維方向應變，垂直于纖維方向應變和工程剪應變；d f，4， ds分別為纖維破壞損傷因子，基體破壞損傷因子，剪切破壞損傷因子；E i為纖維方向彈性模 量，E2垂直于纖維方向彈性模量，G12為剪切模量，υ 12為泊松比；〇 n，〇22, τ12分別為纖維 方向應力，垂直于纖維方向應力和剪應力； 使用的失效準則為Hahsin失效準則，公式如下： ,Λ y λ 、2 姻 譜J 心〔_ ⑵ 式中，巧，為纖維拉伸失效判據(jù)，，為纖維壓縮失效判據(jù)，，為基體拉伸失效判 據(jù)，K：為基體壓縮失效判據(jù)；XT，xe，YT，Ye分別為纖維方向拉伸強度，纖維壓縮強度，基體 拉伸強度，基體壓縮強度；sS St分別為沿纖維方向剪切強度和垂直于纖維方向剪切強度； 々π，無2，元2分別為纖維方向應力，垂直于纖維方向應力和剪應力； 基體相材料為樹脂，使用的損傷起始準則為Shear損傷，損傷起始判據(jù)如下：
其中，為剪切損傷判據(jù)，是剪切應力比和應變率的函數(shù)； 本發(fā)明使用Cohesive單元來模擬界面相；下式為界面單元損傷起始準則，當cohesive 單元滿足下述條件時，開始失效；
損傷演化過程如下，損傷因子D用以描述剛度折減過程，使用斷裂能法作為最終失效 判據(jù)：
其中，ση為法向應力，σ s為切向應力，為起始失效法應力，σ〗為起始失效切應力； D為損傷因子，UmS位移量，七為最大位移，< 為起始失效位移； 為了提高計算效率，對于不參與切削的工件部分定義為等效均質相；由于其不參與切 肖IJ，因此不需要定義其損傷準則； 步驟5 :用有限元分別導入網(wǎng)格工件和刀具進行裝配；調整刀具與工件的相對位置，SP 確定切削深度；刀具與工件盡量靠近，但不能相互侵入； 步驟6:定義刀具與工件之間的接觸方式，首先定義接觸屬性，摩擦類型為庫倫摩擦， 切向接觸方式定義為罰接觸，摩擦系數(shù)為0.4,法向接觸方式定義為硬接觸；刀具與工件接 觸類型為面點接觸，即選擇刀具外表面和工件切削區(qū)的節(jié)點作為相互接觸對； 步驟7 :給定刀具切削速度，并設置工件邊界約束；在設置邊界約束時，選擇工件底邊 上所有點，限制其6個方向的自由度，工件即被固定，即： Ux= Uy= Uz= Uex= UEy= Uez= O 式中，Ux，Uy，仏分別為沿X，y，z方向移動的自由度，U Kx，UKy，Ukz分別為繞X，y，z轉動的 自由度； 步驟8:分別計算纖維方向角度為Θ =〇°，45°，90°，135°四種典型纖維角度的仿 真切削結果，從而得到不同纖維角度下碳纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料去除過程。
【專利摘要】本發(fā)明一種碳纖維復合材料去除過程的細觀仿真建模方法屬于有限元仿真切削領域，涉及一種碳纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料切削加工中，材料去除過程的細觀仿真建模方法。仿真建模方法利用有限元軟件進行碳纖維復合材料切削的二維細觀建模，采用多相建模方法有纖維相、基體相、界面相和等效均質相；不同組成相使用不同的材料模型，材料模型分別基于各自的材料本構，損傷起始和演化準則，建立了四種典型纖維角度的二維細觀切削模型。本發(fā)明從細觀層面的破壞到宏觀切屑形成完整過程，節(jié)省了大量的人力成本、實驗成本以及經(jīng)濟成本，并避免了實驗方法難以在線觀測的難題。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號】CN104834786
【申請?zhí)枴緾N201510252402
【發(fā)明人】賈振元, 高漢卿, 王福吉, 張博宇, 殷俊偉
【申請人】大連理工大學
【公開日】2015年8月12日
【申請日】2015年5月15日