[发明专利]一种考虑变形的复合材料板钻削分层临界轴向力计算方法

摘要

一种考虑变形的复合材料板钻削分层临界轴向力计算方法，针对厚度较小的碳纤维复合材料钻削分层缺陷，考虑在钻削过程中复合材料构件的弯曲变形对钻削分层的影响，计算出产生分层缺陷的临界轴向力，有效预测在钻削过程中的分层缺陷。同时考虑刀具横刃和主切削刃的共同作用，把刀具横刃部分受到的轴向力等效为集中力作用，而刀具主切削刃受到的轴向力等效为均布力作用，运用虚位移原理最终求出考虑复合材料整体和局部弯曲变形的钻削分层临界轴向力。本发明充分考虑了刀具在钻削过程中的受力情况以及复合材料的变形情况，建立碳纤维复合材料钻削分层缺陷预测模型，计算出了钻削分层临界轴向力，对抑制碳纤维复合材料钻削分层缺陷具有很好的作用。

主权项

1.一种考虑变形的复合材料板钻削分层临界轴向力计算方法，其特征在于，步骤如下：首先，建立复合材料结构钻削模型，把钻削轴向力P分解为刀具横刃部分承受的集中力P_C与主切削刃承受的均布力P_L之和：P＝P_C+P_L    (1)设γ表示横刃集中力与总的轴向力P的比例系数；对于正交各向异性复合材料单向板，有如下平衡方程：式中M_x、M_xy、M_y表示复合材料单向板横截面上单位宽度的内力矩，q表示复合材料单向板所受到的均布力；其中D₁₁、D₁₂、D₂₂、D₆₆表示刚度系数，ω表示复合材料单向板的挠度；对于复合材料钻削模型，把刀具底部产生分层缺陷的区域定义为中心局部分层区域，把复合材料单向板整体产生弯曲变形的区域定义为整体弯曲变形区域；沿纤维方向定义为1方向，在复合材料单向板面内垂直于纤维方向定义为2方向；由于复合材料的正交各向异性，产生分层缺陷的区域近似为椭圆形，对于复合材料单向板的中心局部分层区域，集中力P_C近似转化为均布力，表示为：设a，b分别表示椭圆的长轴和短轴的一半，D_11part，D_22part表示1方向和2方向的中心局部分层区域复合材料的弯曲刚度系数；中心局部分层区域椭圆的边界方程表示为：假设中心局部分层区域任意点(x，y)的弯曲挠度假设为：其中ω_0part表示椭圆中心点的挠度；把式(8)和式(3)代入到式(4)中求得：其中，式中D_11part，D_12part，D_66part，D_22part表示中心局部分层区域复合材料单向板的刚度系数；因此，根据公式(8)中心局部分层区域任一点(x，y)的弯曲挠度为：同理，对于复合材料整体构件受到刀具横刃的集中力和主切削刃的均布力共同作用，由于复合材料整体构件具有正交各向异性，产生的变形区域也近似为椭圆形，计算出复合材料构件整体变形区域中心点的挠度：其中，l，n分别表示复合材料构件整体变形区域的长轴和短轴的一半，D_11int，D_12int，D_66int，D_22int表示复合材料整体构件的刚度系数；因此，根据公式(8)复合材料构件整体变形区域任一点(x，y)的挠度为：各向异性复合材料板弯曲变形应变能表示为：把中心局部分层区域各点的挠度公式(11)以及复合材料构件整体变形区域的弯曲挠度(15)代入正交各向异性复合材料板弯曲应变能公式(16)中，计算出局部变形区域U_part以及整体弯曲变形区域的弯曲应变能U_int分别为：其中由于碳纤维复合材料单向板具有正交各向异性，分层形状近似为椭圆形，因此计算出产生分层缺陷所释放的能量：U_ε＝G_ICπab    (19)G_IC表示I型开裂单位面积释放的层间结合能；把局部变形区域以及整体变形区域的挠度和应变能代入虚位移原理P(dω_0part+dω_0int)＝dUε+(dU_part+dU_int)中并设l＝λa，计算得到考虑复合材料局部和整体弯曲变形的钻削分层临界轴向力：所述的计算方法，是理论临界轴向力大小与材料的弹性模量、剪切模量、泊松比、层间能量释放率以及材料的厚度参数有关。