[发明专利]面向碳纤维增强复合材料钻削的多尺度数值仿真方法

说明书

一种面向碳纤维增强复合材料钻削多尺度数值仿真方法，其特征是：首先，进行基体、纤维细观本构与宏观本构建模。其次，进行宏观损伤判断并输出损伤点的信息。第三，调用Python文件对损伤点进行细观建模分析。第四，利用细观建模分析的数据，计算出该点等效刚度并返回宏观模型。第五，进行多尺度数值仿真系统开发与模型评价。本发明充分的考虑了纤维和基体的区别，以及仿真的精度与效率。给出了碳纤维增强复合材料钻削多尺度数值仿真方法。

技术领域

本发明涉及一种机械加工技术，尤其是一种钻削仿真方法，具体的说就是一种碳纤维增强复合材料钻削多尺度数值仿真方法。

背景技术

航空航天产品中的CFRP通常需要与其它结构(复合材料、铝合金、钛合金等结构)进行铆接、螺接等机械连接，这就需要在航空航天产品装配过程中对CFRP构件进行大量的钻孔加工操作。由于CFRP是由纤维和基体组成的多相结构，具有非匀质性、各向异性、硬度高等特点，切削加工难度较大，钻削过程中极易出现入口处劈裂、出口处撕裂、毛边、层间分离、径向挤伤、微裂纹等损伤。从而降低机械连接质量，影响产品服役性能。国内外学者围绕CFRP切削力预测、工艺参数优化等方面，通过力学解析、数值模拟和实验观测展开了广泛的研究和探索随着航空航天制造工业对装配质量要求的进一步提高，对钻削损伤控制的要求越来越严格，因而CFRP切削机理、损伤的萌生和扩展规律等需要更进一步深入的研究。而有效的研究方法是对CFRP进行钻削模拟仿真研究。但由于复合材料钻削行为是一个囊括了几何信息、材料属性信息、应力应变场信息的动态变化的复杂系统，解析的方法很难提供令人满意的效果。并存在以下问题：

(1)采用单相均质材料等效CFRP，对于其中某一特定材料点而言，忽略了纤维和基体的区别，因此导致一些本该用纤维性质计算的单元被更弱的基体性质代替，从而提前失效；

(2)精度和效率难以达到让人满意的结果。

发明内容

本发明的目的是针对CFRP进行钻削模拟仿真中材料提前失效，精度效率不高的问题，发明一种面向碳纤维增强复合材料钻削多尺度数值仿真方法，它充分的考虑了纤维和基体的区别，以及仿真的精度与效率。给出了碳纤维增强复合材料钻削多尺度数值仿真方法。

本发明的技术方案是：

一种面向碳纤维增强复合材料钻削多尺度数值仿真方法，其特征是它包括以下步骤？

首先，进行基体、纤维细观本构与宏观本构建模；

其次，进行宏观损伤判断并输出损伤点的信息；

第三，调用Python文件对损伤点进行细观建模分析；

第四，利用细观建模分析的数据，计算出该点等效刚度并返回宏观模型；

具体步骤如下：

首先，进行基体、纤维等细观本构开发与建模；先通过对碳纤维增强复合材料的实验，采集并计算出碳纤维增强复合材料的在应力单元体中的X,Y,Z方向上的拉伸(压缩)极限应力和XY,XZ,YZ平面上的极限剪应力即(其中纤维方向与σ_x即应力单元体中X方向所受应力同向)，以及X,Y,Z方向上的杨氏模量E_x,E_y,E_z、XY,XZ,YZ平面上的剪切模量、泊松比G_xy,G_xz,G_yz,ν_xy,ν_xz,ν_yz。利用上述数据和失效准则建立失效模型。通过更新的方式，把每一个积分点的相应数据代入失效模型进行失效判断。进而更新刚度矩阵，并代入应力更新函数。具体流程见说明书附图。

其次，进行宏观损伤判断并输出损伤点的信息；当碳纤维增强复合材料板受到钻削力作用时，通过Hashin失效准则来进行失效判断。若失效，则通过Abaqus的子程序vumat将失效点的信息输出到txt格式文件中。