[发明专利]CFRP不同速度直角切削面下损伤深度的预测方法

摘要

本发明CFRP不同速度直角切削面下损伤深度的预测方法属于CFRP切削加工领域，涉及一种CFRP不同速度直角切削面下损伤深度的预测方法。该方法运用有限元仿真技术，采用多相建模的方法，建立了包含纤维相、树脂相、界面相以及等效均质相的CFRP三维细观直角切削模型。模型考虑了树脂及界面材料的应变率效应，包含不同应变率下材料属性的变化。所建模型依据实际情况设置刀具进给及工件固定等边界条件，通过计算该仿真模型，预测了CFRP不同速度直角切削时的面下损伤深度。该方法建立了考虑树脂及界面应变率效应的CFRP细观直角切削仿真模型，实现了不同速度下CFRP直角切削的仿真，获得了不同速度下CFRP直角切削的面下损伤情况，以指导损伤的抑制以及加工参数的优化。

主权项

1.一种CFRP不同速度直角切削面下损伤深度的预测方法，其特征是，该方法首先运用有限元仿真技术，采用多相建模的方法，建立了包含纤维相、树脂相、界面相以及等效均质相的CFRP三维细观直角切削模型，不同相采用不同的本构模型、失效准则及损伤演化模式；同时，为了实现CFRP切削过程中不同切削速度时的研究，模型考虑了树脂及界面材料的应变率效应，包含不同应变率下材料属性的变化；另外，所建模型依据实际情况设置刀具进给及工件固定等边界条件；最后，通过计算该仿真模型，预测了CFRP不同速度直角切削时的面下损伤深度；方法的具体步骤如下：步骤1：分别创建CFRP细观部分、等效均质相以及刀具的几何模型，所有部件均设置为三维变形体；CFRP细观部分由纤维、树脂和界面集合构成；其中，纤维直径为D1，界面外径为D2，树脂边长为L1，三部分长度均为L；刀具刃圆半径为R，前角为α，后角为γ；步骤2：划分网格，设置单元类型分别为步骤1的部件划分网格，设置单元类型；为提高计算速度，减少网格数量，部件布种密度均从切削区向远离切削区逐渐递减，采用中性轴算法通过扫略方式生成六面体网格，除刀具部件外，扫略方向由细密网格指向粗糙网格方向，刀具部件扫略方向为厚度方向；部件单元类型均为八节点线性六面体缩减积分单元，根据不同的材料属性，分别设置模型中不同部件不同的最大刚度退化和沙漏控制；对各部件分别生成网格部件并为刀具网格部件定义参考点；步骤3：设置考虑应变率的材料属性给各网格部件赋予相应的材料属性，由于纤维相表现出横观各向同性及脆性特性，失效前采用线弹性本构，分别定义纤维方向和垂直纤维方向的材料属性；失效准则采用最大应力失效准则，判据为：1)拉伸失效：σ1≥Xt  (1)2)剪切失效：τ23≥S23  (2)公式(1)‑(2)中，σ代表正应力，τ代表剪应力，下标1代表纤维方向，2、3代表垂直于纤维方向的两个方向；Xt代表纤维方向拉伸强度，S23代表2‑3平面内的剪切强度；树脂考虑为各向同性材料，失效前使用弹塑性本构模型及各向同性塑性硬化，失效准则采用剪切失效准则；为了研究切削速度的影响，需要考虑应变率对树脂性能的影响，首先，由霍普金森实验等获得一系列不同应变率下的真实应力‑应变曲线，从而获得应力与塑性应变的关系，再对二者进行拟合；Khan‑Huang本构是一种描述金属材料塑性阶段的本构模型，其一维本构模型如下：其中，g1与塑性应变相关，g2与应变率相关；g2部分表达式为：其中，为参考应变率，ε_pl为塑性应变，为塑性应变率，n为材料参数；由于屈服强度与应变率的对数关系呈近似双线性，对g2项采用多项式进行修正：其中，a、b、c和d为拟合的材料参数；修正后的屈服强度σ与应变率的关系由公式(6)表示，其中，σ0为准静态下的材料屈服强度；由于ABAQUS软件自带的材料模型不包括Khan‑Huang及其修正模型，通过VUMAT子程序实现该本构模型，本方法通过表格形式建立屈服应变与应变率的关系；在本构模型中引入应变率效应，相应的失效准则中也应考虑应变率，通过类似的方法建立失效应变与应变率的关系；本方法使用连续单元模拟界面相，其材料属性与树脂类似；步骤4：分别导入各组成相和刀具的网格部件，调整其相对位置，通过将由单根纤维、界面、树脂组成的单元进行线性阵列形成CFRP工件的切削部分，等效均质相作为支撑；通过切深确定刀具位置，同时为提高计算效率，使刀具和工件尽量靠近，但不侵入；步骤5：设置分析步、约束及接触方式将分析步设置为动态显式，定义刀具与工件及工件各组成部分之间的约束与接触方式；由于仿真中不考虑刀具磨损，同时为了提高计算效率，将刀具通过Rigid Body约束为刚体；由于工件的切削部分是通过线性阵列形成的，将各部分通过Tie约束连接在一起；刀具切削过程中不断进入工件内部，因此定义刀具与工件参与切削的部分之间为面点接触，接触属性中法向接触定义为硬接触，切向接触定义为罚摩擦，设置摩擦系数f；为了避免侵入，在所有面之间定义通用接触；步骤6：设置不同速度及边界条件设置分析时间，在场输出和历史输出中分别定义所需输出变量、输出频率及间隔；其中输出变量应包括ER、DMICRT以及STATUS；定义模型的边界条件：首先，在刀具参考点上定义刀具的进给速度；其次，限制工件底边和背部节点的6个自由度，通过ENCASTRE固定工件：Ux＝Uy＝Uz＝URx＝URy＝URz＝0    (7)步骤7：提交分析，得到不同切削速度下CFRP面下损伤深度；分别提交不同切削速度下的仿真模型，提交分析，从而得到不同切削速度下CFRP的加工过程和面下损伤情况；面下损伤深度定义为界面开裂最深处到已加工表面的垂直距离，由于直接测量面下损伤深度不方便，通过损伤最深处与未加工表面h的长度间接测得面下损伤深度，即面下损伤深度hd＝h‑ap，其中，ap为切深；在结果文件中通过Query测得该速度下的面下损伤深度。