[发明专利]碳纤维复合材料去除过程的细观仿真建模方法

说明书

本发明一种碳纤维复合材料去除过程的细观仿真建模方法属于有限元仿真切削领域，涉及一种碳纤维增强环氧树脂基复合材料切削加工中，材料去除过程的细观仿真建模方法。仿真建模方法利用有限元软件进行碳纤维复合材料切削的二维细观建模，采用多相建模方法有纤维相、基体相、界面相和等效均质相；不同组成相使用不同的材料模型，材料模型分别基于各自的材料本构，损伤起始和演化准则，建立了四种典型纤维角度的二维细观切削模型。本发明从细观层面的破坏到宏观切屑形成完整过程，节省了大量的人力成本、实验成本以及经济成本，并避免了实验方法难以在线观测的难题。

技术领域

本发明属于有限元仿真切削领域，涉及一种碳纤维增强环氧树脂基复合材料切削加工中，材料去除过程的细观仿真建模方法。

背景技术

碳纤维复合材料是一种先进的复合材料，由于具有优异的力学性能从而被广泛应用在航空、航天、汽车等机械制造领域。但是由于碳纤维复合材料构成的复杂性，对其去除过程的研究还没有统一的理论，加工过程中会出现不同的损伤，这些损伤会严重影响复合材料构件的使用寿命。因此，碳纤维复合材料的材料去除过程仍是复材加工领域研究的重点。

目前，对其材料去除过程的研究包含宏观及细观两个层面。在宏观层面上，将其视为等效均质各向异性材料，可以反映宏观切屑的整体行为，如0°/135°切屑弯曲，45°/90°剪切滑移，但无法对切削区域中各组成相的失效行为进行准确描述。因此，很多学者在细观层面上对碳纤维复合材料的去除过程展开研究。已有方法多采用有限元建模的方式，从细观角度对材料去除过程进行了初步的讨论，但也有不足之处：由于未将界面相以及合适的材料模型同时整合到细观仿真模型中，因此并不能很好地模拟碳纤维复合材料界面开裂，纤维基体破坏等细观去除过程。如G.VenuGopalaRao等，发表的《Micro-mechanical modelingof machining of FRP composites-Cutting force analysis》一文在《CompositesScience and Technology》杂志的2007年67期第579-593页，建立多根，不同方向的细观模型，由于没有定义材料的失效准则，只能模拟界面开裂，无法实现材料去除过程。因此，仿真分析结果很难与实际切削加工吻合，更无法对切削过程的研究提供参考。

发明内容

本发明为了克服现有技术的缺陷，发明了一种碳纤维复合材料去除过程的细观仿真建模方法，探究碳纤维增强环氧树脂基复合材料的去除过程，利用ABAQUS有限元软件进行碳纤维复合材料切削的二维细观建模，并采用多相建模的方法：有纤维相、基体相、界面相和等效均质相。不同组成相使用不同的材料模型：纤维相使用Hashin失效准则，基体相使用Shear损伤准则，界面相使用Cohesive界面单元。通过对细观模型进行直角切削仿真分析，从而得到不同纤维角度下碳纤维复合材料的去除过程。

本发明采用的技术方案是一种碳纤维增强环氧树脂基复合材料切削过程的细观仿真建模方法，其特征在于，仿真建模方法利用ABAQUS有限元软件进行碳纤维复合材料切削的二维细观建模，采用多相建模方法有纤维相、基体相、界面相和等效均质相；不同组成相使用不同的材料模型，材料模型分别基于各自的材料本构，损伤起始和演化准则，建立了四种典型纤维角度的二维细观切削模型，仿真建模方法的具体步骤如下：

步骤1：工件设置为二维变形体，不考虑刀具变形，设刀具为刚体，创建几何模型；

步骤2：对切削区域网格进行细化处理，切削区内有纤维相、基体相和界面相，纤维相和基体相之间要有界面相；为了提高计算效率，将不参与切削的工件部分定义为等效均质相；

步骤3：在工件上划分网格，单元类型为平面应力单元；非切削区由于不参与切削，所以网格密度由靠近切削区向远离切削区逐级递减，从而保证计算效率；不同组成相网格生成方式及单元类型不同，纤维相、基体相采用结构性四面体网格，等效均质相采用自由四面体网格；由于界面相其特殊的功能，单元需要扫略生成，单元类型为Cohesive单元；