CFRP制孔损伤机理及钻头结构改型方法研究
发布时间：2020-12-10 05:47
复合材料因具有比强度高、比模量大和耐腐蚀性强等特点,在航空航天领域取得了日益广泛的应用,其中碳纤维增强树脂基复合材料（Carbon Fiber-Reinforced Polymer,CFRP）的用量更是随着产品的升级换代而逐步提高。CFRP是由纤维与树脂基体组成的预浸料经加温加压铺叠而成的典型各向异性材料,同时具有高硬度、高脆性和非匀质的特点,材料的力学性能受加载方向的影响极大,制孔时在钻头多个切削刃共同高速切削下极易产生纤维拔出、毛刺、分层、微裂纹和基体灼伤等多种形式的损伤。飞机产品装配中,CFRP零件常常需要与其它结构进行机械连接,上述制孔损伤的存在将对连接部位的服役性能产生较大影响,制约着飞机产品朝着高可靠性和长服役寿命方向发展。为抑制CFRP制孔损伤,本文围绕CFRP制孔损伤机理及钻头结构改型方法展开研究。首先,从CFRP单刃切削机理入手,研究纤维与基体在切削载荷作用下的断裂失效形式,采用有限元仿真与实验相结合的方法,解析从细观切削行为到宏观响应的跨尺度关联关系,提出面向次表面损伤、毛刺损伤和分层损伤的抑制策略;其次,建立钻削力在整个制孔过程和钻头旋转一周内的分布规律模型,阐述...
【文章来源】：西北工业大学陕西省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：125 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
孔周损伤区域SEM图像
Wang 等在传统麻花钻的基础上，对前，使得主切削刃上的前角近似处处相等，即接近横同等锋利，如图 1-7 所示。该钻头改型是针对金属大幅降低，若将此钻头应用于 CFRP 制孔除同样降纤维和基体的去除效率。因此，尽管此工作是针对 CFRP 制孔钻头改型具有诸多启示。
图 1-8 带螺旋槽的匕首钻改型结构[21]通过以上分析可知，钻头的几何结构和类型极大程度上决定了 CFRP 材料的制孔质量，其优先程度处于工艺参数优化的上游，国内外学者在对刀具角度确定、钻头选型和结构优化方面做了大量工作，为本文研究的顺利进行奠定了基础，然而仍存在以下不足之处：1）对钻头角度与结构的改型多建立在对轴向力、刀具磨损和笼统的制孔质量的分析之上，并未有针对性地研究刀具角度与纤维与基体的切削失效机理之间的联系。更进一步而言，忽略了切削刃-纤维和纤维-纤维之间的相互作用及其耦合关系在损伤形成时发挥的作用。2）并没有区分 CFRP 不同类型的制孔损伤，进而有针对性地改进制孔刀具，造成优化后的钻头适用于特定损伤的抑制，而其余的损伤仍不得不依靠工艺参数优化进行控制。对此，需充分分析纤维在多方面作用力下产生多种变形的基础上，进行包括切削形式、刀具受载状态及切削刃切削效果等多方面的分析论证，结合对损伤机理的分析，开展面向不同损伤类型均衡抑制的刀具结构改型研究。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于CFRP切削过程仿真的面下损伤形成分析[J]. 殷俊伟,贾振元,王福吉,陈晨,张博宇. 机械工程学报. 2016(17)
[2]飞机装配中的先进制孔技术与装备[J]. 康仁科,杨国林,董志刚,朱祥龙,郭东明. 航空制造技术. 2016(10)
[3]基于CFRP层合板钻削轴向力时变曲线的钻头几何形状分析[J]. 贾振元,何春伶,付饶,王福吉,王小楠,钱宝伟. 复合材料学报. 2016(12)
[4]碳纤维/环氧树脂复合材料制孔损伤综合评价方法[J]. 温泉,郭东明,高航,赵冬. 复合材料学报. 2016(02)
[5]基于细观仿真建模的CFRP细观破坏[J]. 高汉卿,贾振元,王福吉,宿友亮,朱浩杰. 复合材料学报. 2016(04)
[6]纤维切削角对CFRP加工缺陷的影响规律[J]. 周井文,陈燕,傅玉灿,徐九华,胡安东,刘思齐. 哈尔滨工业大学学报. 2015(07)
[7]钻削碳纤维增强型复合材料的主切削刃轴向力[J]. 任书楠,吴丹,陈恳. 清华大学学报(自然科学版). 2013(04)
[8]复合材料层压板低速冲击刚度退化仿真方案研究[J]. 伊鹏跃,于哲峰,汪海. 力学季刊. 2012(03)
[9]飞机结构件的自动化精密制孔技术[J]. 卜泳,许国康,肖庆东. 航空制造技术. 2009(24)
[10]我国大型客机先进复合材料技术应对策略思考[J]. 杜善义,关志东. 复合材料学报. 2008(01)
博士论文
[1]树脂基复合材料钻削缺陷产生机理与控制策略研究[D]. 汪海晋.山东大学 2016
[2]数字图像相关方法及其在材料力学性能测试中的应用[D]. 刘小勇.吉林大学 2012
[3]叠层复合材料钻削加工缺陷产生机理及工艺参数优化[D]. 李桂玉.山东大学 2011
硕士论文
[1]双顶角钻尖几何参数对碳纤维复合材料钻削轴向力和制孔分层的影响[D]. 何春伶.大连理工大学 2016
[2]碳纤维复合材料钻削轴向力及刀具磨损的试验研究[D]. 魏良耀.南京理工大学 2013
[3]碳纤维复合材料制孔缺陷及对策的试验研究[D]. 李凤全.大连理工大学 2008
本文编号：2908180
【文章来源】：西北工业大学陕西省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：125 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
孔周损伤区域SEM图像
Wang 等在传统麻花钻的基础上，对前，使得主切削刃上的前角近似处处相等，即接近横同等锋利，如图 1-7 所示。该钻头改型是针对金属大幅降低，若将此钻头应用于 CFRP 制孔除同样降纤维和基体的去除效率。因此，尽管此工作是针对 CFRP 制孔钻头改型具有诸多启示。
图 1-8 带螺旋槽的匕首钻改型结构[21]通过以上分析可知，钻头的几何结构和类型极大程度上决定了 CFRP 材料的制孔质量，其优先程度处于工艺参数优化的上游，国内外学者在对刀具角度确定、钻头选型和结构优化方面做了大量工作，为本文研究的顺利进行奠定了基础，然而仍存在以下不足之处：1）对钻头角度与结构的改型多建立在对轴向力、刀具磨损和笼统的制孔质量的分析之上，并未有针对性地研究刀具角度与纤维与基体的切削失效机理之间的联系。更进一步而言，忽略了切削刃-纤维和纤维-纤维之间的相互作用及其耦合关系在损伤形成时发挥的作用。2）并没有区分 CFRP 不同类型的制孔损伤，进而有针对性地改进制孔刀具，造成优化后的钻头适用于特定损伤的抑制，而其余的损伤仍不得不依靠工艺参数优化进行控制。对此，需充分分析纤维在多方面作用力下产生多种变形的基础上，进行包括切削形式、刀具受载状态及切削刃切削效果等多方面的分析论证，结合对损伤机理的分析，开展面向不同损伤类型均衡抑制的刀具结构改型研究。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于CFRP切削过程仿真的面下损伤形成分析[J]. 殷俊伟,贾振元,王福吉,陈晨,张博宇. 机械工程学报. 2016(17)
[2]飞机装配中的先进制孔技术与装备[J]. 康仁科,杨国林,董志刚,朱祥龙,郭东明. 航空制造技术. 2016(10)
[3]基于CFRP层合板钻削轴向力时变曲线的钻头几何形状分析[J]. 贾振元,何春伶,付饶,王福吉,王小楠,钱宝伟. 复合材料学报. 2016(12)
[4]碳纤维/环氧树脂复合材料制孔损伤综合评价方法[J]. 温泉,郭东明,高航,赵冬. 复合材料学报. 2016(02)
[5]基于细观仿真建模的CFRP细观破坏[J]. 高汉卿,贾振元,王福吉,宿友亮,朱浩杰. 复合材料学报. 2016(04)
[6]纤维切削角对CFRP加工缺陷的影响规律[J]. 周井文,陈燕,傅玉灿,徐九华,胡安东,刘思齐. 哈尔滨工业大学学报. 2015(07)
[7]钻削碳纤维增强型复合材料的主切削刃轴向力[J]. 任书楠,吴丹,陈恳. 清华大学学报(自然科学版). 2013(04)
[8]复合材料层压板低速冲击刚度退化仿真方案研究[J]. 伊鹏跃,于哲峰,汪海. 力学季刊. 2012(03)
[9]飞机结构件的自动化精密制孔技术[J]. 卜泳,许国康,肖庆东. 航空制造技术. 2009(24)
[10]我国大型客机先进复合材料技术应对策略思考[J]. 杜善义,关志东. 复合材料学报. 2008(01)
博士论文
[1]树脂基复合材料钻削缺陷产生机理与控制策略研究[D]. 汪海晋.山东大学 2016
[2]数字图像相关方法及其在材料力学性能测试中的应用[D]. 刘小勇.吉林大学 2012
[3]叠层复合材料钻削加工缺陷产生机理及工艺参数优化[D]. 李桂玉.山东大学 2011
硕士论文
[1]双顶角钻尖几何参数对碳纤维复合材料钻削轴向力和制孔分层的影响[D]. 何春伶.大连理工大学 2016
[2]碳纤维复合材料钻削轴向力及刀具磨损的试验研究[D]. 魏良耀.南京理工大学 2013
[3]碳纤维复合材料制孔缺陷及对策的试验研究[D]. 李凤全.大连理工大学 2008
本文编号：2908180
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