[发明专利]复材分层缺陷在横刃挤压阶段扩展行为计算方法

说明书

本发明复材分层缺陷在横刃挤压阶段扩展行为计算方法属于机械加工技术领域，涉及一种碳纤维复合材料构件内部的成型分层缺陷在钻削横刃挤压阶段扩展行为的计算方法。该计算方法将横刃对缺陷层的挤压过程简化为集中载荷作用下的弹性地基梁弯曲过程，并求得梁的弯曲变形控制方程；确定刀具作用位置以及成型分层缺陷大小，根据约束情况及受力特点对缺陷层中的纤维进行区域划分，利用有限元计算方法及叠加原理，得到整根纤维的整体刚度矩阵；最后，采用向刀具作用点逐步加载方式对成型分层缺陷扩展的临界条件及扩展长度进行计算。该方法适用于不同加工位置、不同大小形状成型分层缺陷扩展行为的计算，抑制分层缺陷的扩展，保证最终制孔质量。

技术领域

本发明属于机械加工技术领域，涉及一种碳纤维复合材料构件内部的成型分层缺陷在钻削横刃挤压阶段扩展行为的计算方法，是一种抑制构件内部缺陷在机械加工过程中进一步扩展的方法。

背景技术

碳纤维复合材料承力构件常采用铺放、固化、加工一体化设计制造，相比于传统材料构件的制造方式，有效缩短了工艺流程，大幅提高了生产效率。然而，由于碳纤维复合材料的各向异性、层叠成型特征，以及热压固化过程中的热、化学收缩非均匀性，其在成型过程中易产生分层缺陷。碳纤维复合材料构件成型分层缺陷分布具有很大的随机性，对构件性能有很大影响，若成型分层缺陷在静态载荷作用下或钻削过程中发生进一步扩展，构件性能及制孔质量将难以保证。

目前，部分学者们针对碳纤维复合材料成型分层缺陷在静态载荷下的扩展行为进行了研究，如Pekbey和Sayman等人发表的《A Numerical and ExperimentalInvestigation of Critical Buckling Load of Rectangular Laminated CompositePlates with Strip Delamination》一文在《Journal of Reinforced PlasticsComposites》2006年第25期第685到697页中，对含带状分层损伤的复合材料层合板的临界屈曲载荷进行了研究，指出了试样尺寸、铺层角度及铺层顺序对临界屈曲载荷均有影响。然而，实际的钻削过程是在刀具连续进给下的动态过程，其钻削力大小非恒定且作用点位置随刀刃的回转和进给运动发生动态变化，此外由于成型缺陷分布的随机性，刀具与缺陷的实际作用位置不可控。因此，静态载荷下对分层扩展行为的研究无法适用于碳纤维复合材料的制孔过程，需对碳纤维复合材料成型缺陷在钻削加工中的扩展行为进行研究。

发明内容

本发明为解决现有技术的缺陷,有效抑制成型分层缺陷在钻削过程中的扩展，提高制孔质量，降低复材构件生产成本,针对在钻削过程中轴向力最大的横刃挤压阶段缺陷层成型分层缺陷的扩展行为进行分析，发明了复材分层缺陷在横刃挤压阶段扩展行为计算方法。该计算方法将刀具横刃对缺陷层的挤压过程简化为集中载荷作用下的弹性地基梁弯曲过程，求梁的弯曲变形控制方程；通过确定刀具作用位置以及成型分层缺陷大小，根据约束情况及受力特点对缺陷层中的纤维进行区域划分，利用有限元计算方法及叠加原理，得到整根纤维的整体刚度矩阵；并采用向刀具作用点逐步加载方式对成型分层缺陷扩展的临界条件及扩展长度进行计算，能够适用于不同加工位置下的，不同大小形状成型分层缺陷扩展行为的计算，抑制分层缺陷的扩展，保证最终制孔质量。

本发明的技术方案是一种复材分层缺陷在横刃挤压阶段扩展行为计算方法，其特征是，该计算方法将刀具横刃对缺陷层的挤压过程简化为集中载荷作用下的弹性地基梁弯曲过程，并求得梁的弯曲变形控制方程；确定刀具作用位置以及成型分层缺陷大小，根据约束情况及受力特点对缺陷层中的纤维进行区域划分，利用有限元计算方法及叠加原理，得到整根纤维的整体刚度矩阵；最后，采用向刀具作用点逐步加载方式对成型分层缺陷扩展的临界条件及扩展长度进行计算。该方法的具体步骤如下：

1)首先确定刀具作用位置及成型分层缺陷大小参数，被加工材料的性能参数；

2)简化模型