[发明专利]一种面向纤维增强复合材料低速切削工艺过程模拟的建模方法

权利要求书

1.一种面向纤维增强复合材料低速切削工艺过程模拟的建模方法，其特征在于，包括步骤：

S1.根据纤维丝束的编织特点，包括纤维丝束截面形状、丝束间隙、编织方式的差异，同时基于纤维体积分数与纤维尺寸计算对应的复合材料基体长方体模型尺寸参数；

S2.基于S1几何尺寸参数，建立复合材料编织结构丝束几何模型与基体模型，同时对刀具模型与复合材料编织结构介观模型进行装配，刀具尖端与复合材料表面处于恰好接触状态，且刀具处于复合材料介观模型中间位置；

S3.建立基体材料与纤维丝束的材料属性，其中基体材料以各向同性的弹塑性本构模拟其断裂行为，纤维丝束以各向异性本构模拟其断裂行为；

S4.对纤维与基体进行网格的划分，为了保证网格质量，利用Python编写的映射网格划分脚本对纤维与基体进行网格划分，使得模型中网格均匀，提高网格划分质量；

S5.建立接触关系，切削过程中由于存在网格的删除以及部分网格会脱离介观模型母体，因此，需要定义刀具外表面与复合材料外表面、刀具外表面与切削区域内部网格之间、切削区域内部网格外表面之间，考虑切削区域内部网格表面接触是由于在网格脱离复合材料母体后可能发生接触；

S6.定义复合材料介观模型侧面周期边界，包含相对且相互平行的面，总共两组共计四个面。

2.根据要求1所述的一种面向纤维增强复合材料低速切削加工工艺模拟的建模方法，其特征在于，步骤S1中，复合材料介观模型中，纤维与基体是属于同一部件下的不同体积单元；且各纤维分别独立。

3.根据要求1所述的一种面向纤维增强复合材料低速切削加工工艺模拟的建模方法，其特征在于S2步骤中，在进行位置的装配时，以复合材料介观模型为参考，使得刀具尖端与复合材料模型处于严格恰好接触关系，并且使得刀具位置在复合材料模型的中间位置。

4.根据要求3所述的一种面向纤维增强复合材料低速切削加工工艺模拟的建模方法，其特征在于，以各向同性的弹塑性本构关系的材料属性模拟复合材料中基体的材料的断裂行为，纤维束则各向异性材料本构关系模拟纤维束从受载到断裂的失效行为；由于纤维丝束中同时含有纤维与基体，纤维丝束各项力学性能参数计算方法如下：

对于其余纤维基本力学参数，采用基于等应变假设为前提进行计算，计算公式为：

5.根据要求1所述的一种面向纤维增强复合材料低速切削加工工艺模拟的建模方法，其特征在于，S5中所定义的接触关系严格规定为3种不同的接触关系，这三种接触关系对涉及的对象分别为刀具外表面与复合材料模型表面、刀具外表面与钻孔所在区域内部单元外表面、钻孔所在区域内部单元表面之间的接触；其中刀具外表面与复合材料介观模型表面、刀具外表面与复合材料介观模型钻孔区域内网格单元外表面之间需定义切向摩擦系数，钻孔区域内单元之间接触不需定义切向摩擦系数，只定义法向硬接触；所有接触对关系中法向接触应力算法遵循硬接触算法计算方式来计算接触应力。

6.根据要求5所述一种面向纤维增强复合材料低速切削加工工艺模拟的建模方法，其特征在于，根据复合材料所用材料的硬度性能指标，修改C₀、E、D以及初始材料刚度值与网格穿透量超过D以后的刚度值，默认初始刚度值为接触面刚度K，最终刚度值为初始刚度值100K，K为接触面刚度，C₀为开始计算接触应力时两接触面距离，C₀到E之间采用线性表示接触应力值与接触面距离之间关系，E到D采用二次函数进行计算接触应力与接触面距离关系。

7.根据要求6所述一种面向纤维增强复合材料低速切削加工工艺模拟的建模方法，其特征在于，对于复合材料介观模型边界条件，仅仅考虑其侧向四个面的周期性边界条件，相对且平行面的两两成对；对于代表体积单元，其周期边界条件要求为应变协调且应力连续，表达式为：

上等式中，ε_ik为代表体积单元的平均应变量，x_k为代表体积单元内任意点的坐标值，为周期性边界中位移的修正量，其中值无法进行精确定义，假定在代表体积单元在某一方向上，有两面相对且平行，相对在坐标轴正方向上的面的边界条件表达式为：

相对在负方向的面上的边界条件表达式为：

由等式8与等式9可以得到：

基于上式建立代表体积单元中相对面的周期边界条件。