[发明专利]一种获取CFRP工件铣削振动幅度的方法

摘要

本发明一种获取CFRP工件铣削振动幅度的方法属于碳纤维复合材料铣削加工领域，涉及一种复合材料层合板铣削过程中工件振动幅度的获取方法。该方法针对不同加工状态下的CFRP铣削，先利用实验获得了铣削力。基于ABABQUS有限元仿真计算软件，建立了铣削力激励下简化的CFRP层合板铣削加工有限元仿真模型。模型采用等效建模的方式，考虑了实际CFRP层合板的不同铺层方向及加工过程中螺栓的夹持状态。将实验得到的铣削力在模型里通过集中力的方式加载到铣削作用位置处；通过计算不同夹持状态下的仿真模型，获取了CFRP层合板铣削中不同状态下工件不同位置的振动幅度。该方法减少了计算时间，解决了实验方法测量工件振幅时，过程繁琐，仪器操作复杂，时间成本高等问题。

主权项

1.一种获取CFRP工件铣削振动幅度的方法，其特征是，该方法运用实验与有限元仿真相结合技术，先在铣削实验中测得铣削力；然后，建立了铣削力激励下简化的CFRP层合板铣削加工有限元仿真模型；该模型基于等效均质方法，考虑其各向异性及铺层方向；根据实际铣削加工情况，将刀具对工件的切削作用简化为施加在工件上的集中载荷，并将实验获得的铣削力导入仿真模型中，作为此集中载荷；最后，通过计算该仿真模型，获取CFRP铣削加工过程中工件不同位置的振动幅度；方法的具体步骤如下：步骤1：在数控加工中心上装夹好CFRP工件，搭建好测力仪，设置工艺参数进行铣削实验，利用测力仪输出铣削力；步骤2：分别建立CFRP层合板(A)与支撑部分(B)的几何模型，两个几何模型均设置为三维变形体；其中CFRP层合板由不同的纤维角度的铺层组成；步骤3：划分网格，设置单元类型分别为CFRP层合板(A)与支撑部分(B)划分网格，设置单元类型；由于模型比较规则，工件的振幅与网格的形状有关，采取中性轴算法更容易得到单元形状规则的网格；CFRP层合板(A)与支撑部分(B)均采用中性轴算法通过扫略方式生成六面体网格，扫略方向为厚度方向；CFRP层合板(A)单元类型为八节点线性六面体减缩积分壳单元，支撑部分(B)单元类型为八节点线性六面体减缩积分单元；步骤4：设置不同部分的材料属性由于CFRP层合板(A)表现正交各向异性及脆性特性，因此，分别赋予纤维方向和垂直纤维方向的材料属性；由于CFRP层合板(A)不同层之间的纤维角度不同，且层合板比较薄，所以采用创建复合材料层的方法赋予材料特性，选择基于壳理论的连续壳单元类型，设置层合板的层数N；铺层方向选取系统默认的全局笛卡尔系统，设置不同层之间的纤维角度θ；其中单元的相对厚度是1，设置相关的材料属性；需要注意的是铺层区域的选择与厚度方向的网格划分有关，因此在厚度方向需要根据不同铺层区域设置不同的单元集合，以赋予相应的材料属性；不同铺层区域选择不同的单元集合；赋予后的材料属性，通过查询模型特性，验证每层的纤维角度是否正确；步骤5：分别导入CFRP层合板(A)与支撑部分(B)的部件，调整其相对位置，在铣刀与层合板接触的初始位置设置参考点与参考平面以施加不同方向的作用力；步骤6：设置分析步、约束及接触方式采用动态显式分析步进行仿真分析，在场输出请求管理器和历史输出请求管理器中分别定义所需输出变量；由于仿真中不考虑支撑部分(B)的磨损，同时为了提高计算效率，将支撑部分(B)通过Rigid Body约束为刚体；定义CFRP层合板(A)与支撑部分(B)的约束与接触方式；将铣削位置的参考点与铣削力作用的参考平面使用Coupling约束在一起；为了避免计算过程中发生侵入，在模型所有接触对之间定义通用接触；步骤7：设置载荷及边界条件首先在CFRP层合板(A)铣削加工过程中使用螺栓夹紧的位置施加压力载荷；然后把实验测得的力导入软件，通过集中力的方式施加到铣削位置的参考点；并限制支撑部分的6个自由度；层合板在力作用下的单元振幅的基本表达式如下：其中，是加速度，M是质量，K是刚度，F(t)是外载荷，x为振幅；步骤8：提交分析，得到CFRP铣削加工过程中工件振动幅度提交任务，进行仿真计算，从而得到CFRP铣削加工过程中工件的振动幅度；在结果文件中通过创建需要观测点的场输出，得到该点的振动幅度，通过改变观测点，获取CFRP层合板不同位置的振幅。