碳纤维增强复合材料切削实验与仿真研究

发布时间：2017-04-23 17:43

  本文关键词：碳纤维增强复合材料切削实验与仿真研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近几十年来，随着科学技术的发展，碳纤维增强复合材料在航空、航天、汽车、造船及土建方面得到日益广泛的应用。使用复合材料不仅能减轻结构件的重量，而且还可以大大提升其抵抗破坏的能力。然而，由于复合材料的特殊组成形态，造成其在加工过程中极易产生分层，开裂、毛刺等各种缺陷，严重影响了复合材料的加工精度，从而制约了复合材料结构件的加工质量和生产效率。因此，对复合材料切削机理进行系统研究已成为当前亟需解决的关键问题。复合材料力学在上世纪60年代后的发展步伐明显加快，对复合材料的各种性能从宏观到微观上都形成了较为成熟的理论体系，为复合材料机械性能的分析和研究提供了良好的平台。复合材料的加工方法可以分为常规加工和非常规加工两种，而在常规加工中，切削为最主要的加工方式，目前对复合材料切削加工研究主要集中在实验上，且大部分研究都侧重于切削力、切削表面质量、纤维的断裂等一些表面现象的研究上，对基体的破坏、基体的损伤、工件亚表面的损伤等方面研究还不够。 本文采用实验与有限元方法相结合的手段对碳纤维增强复合材料切削机理进行研究，，利用有限元分析软件Abaqus对普通切削和超声振动切削模型进行仿真模拟，分别对普通切削和超声振动切削的加工机理进行分析研究。设计了碳纤维增强复合材料正交切削实验，并与有限元仿真结果进行对比分析，得到的主要结论有： （1）通过设计碳纤维增强复合材料正交切削实验，发现切削力随着纤维方向角度的增加而呈现快速增长，但切削抗力并不随着纤维方向角度的增加而增加，当纤维方向角度为45o时切削抗力达到最大值，当纤维方向不变时随着切削深度的增加切削力增大。通过对不同纤维方向角度下切屑形态和加工表面质量进行分析，发现随着纤维方向角度的改变切屑形态也不同，当纤维方向角度为0o加工表面质量良好，当纤维方向角度为45o时加工表面有毛刺产生且工件表面有一定程度的撕裂，当纤维方向角度为90o时加工表面有凹坑产生，在工件表层出现撕裂现象，且撕裂方向与纤维方向平行。 （2）选用Hashin Damage失效准则，通过定义复合材料在各种失效模式下的极限应力，模拟复合材料单层板加工中的失效，通过正交实验切削力与仿真切削力进行对比分析验证仿真模型的准确性。从仿真结果可以看出，纤维方向是影响切削力大小的主要因素，纤维方向不同时基体的破坏也不同，基体的损伤方向大致与纤维方向平行，随着纤维方向角度的增加工件亚表面的损伤破坏深度也随之增加。 （3）建立碳纤维增强复合材料超声振动切削模型，对其切削机理进行研究发现，与普通切削相比超声振动切削基体的损伤破坏区域有所降低。超声振动切削工件亚表面的损伤深度与普通切削相比也有所减小。通过改变振幅和频率对超声振动切削过程进行理论分析，发现提高振动频率和振幅不仅可以降低切削力还可以减小基体破坏和基体的损伤。
【关键词】：有限元 碳纤维增强复合材料 超声振动切削 纤维方向 基体破坏 损伤
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TB33;TG506
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-22
• 1.1 选题目的及意义10-11
• 1.2 复合材料简介11-14
• 1.2.1 复合材料分类及性能11-13
• 1.2.2 复合材料的机械加工方法13-14
• 1.2.3 碳纤维复合材料机械加工特点14
• 1.3 国内外研究现状14-19
• 1.3.1 复合材料切削加工研究概况分析15-17
• 1.3.2 复合材料切削加工有限元仿真研究17-19
• 1.4 存在的主要问题19-20
• 1.5 论文的主要工作20-22
• 1.5.1 复合材料正交切削实验研究20
• 1.5.2 复合材料切削模型的建立20-21
• 1.5.3 复合材料切削有限元研究分析21
• 1.5.4 复合材料超声振动切削有限元研究分析21-22
• 第2章 碳纤维增强复合材料切削实验研究22-34
• 2.1 引言22
• 2.2 实验条件及实验方案22-28
• 2.2.1 机床22-23
• 2.2.2 切削力测量系统23-27
• 2.2.3 工件材料属性27
• 2.2.4 实验刀具27
• 2.2.5 实验夹具27-28
• 2.2.6 实验方案28
• 2.3 实验结果分析研究28-32
• 2.3.1 纤维方向对切削力的影响28-29
• 2.3.2 纤维方向对切削力的影响29-30
• 2.3.3 切削厚度对切削力的影响30-31
• 2.3.4 纤维方向对切屑形态的影响31
• 2.3.5 纤维方向对加工表面质量的影响31-32
• 2.4 本章小结32-34
• 第3章 碳纤维增强复合材料切削过程有限元建模34-45
• 3.1 引言34
• 3.2 切削加工过程有限元分析理论基础34-37
• 3.2.1 有限元分析基本思想和方法介绍34-36
• 3.2.2 切削过程中的弹塑性力学分析36-37
• 3.3 碳纤维增强复合材料切削过程有限元建模方法37-44
• 3.3.1 复合材料切削过程的断屑形式37-38
• 3.3.2 复合材料的失效模型38-42
• 3.3.3 刀-屑摩擦模型42-43
• 3.3.4 有限元网格划分技术43-44
• 3.4 本章小结44-45
• 第4章 碳纤维增强复合材料切削过程模拟及分析研究45-54
• 4.1 引言45
• 4.2 有限元仿真模型的建立45-48
• 4.2.1 正交切削几何模型的建立45-46
• 4.2.2 材料模型46-47
• 4.2.3 切削参数确定47-48
• 4.3 切削仿真结果分析48-53
• 4.3.1 切削力分析48-49
• 4.3.2 基体破坏分析49-50
• 4.3.3 基体损伤演化分析50-52
• 4.3.4 亚表面破坏分析52-53
• 4.4 本章小结53-54
• 第5章 碳纤维增强复合材料超声振动切削有限元仿真54-71
• 5.1 引言54
• 5.2 超声振动切削有限元模型的建立54-57
• 5.3 超声振动切削几何模型及切削参数的确定57-58
• 5.3.1 几何模型的确定57
• 5.3.2 超声振动切削参数的确定57-58
• 5.4 超声振动切削与普通切削仿真结果对比分析58-64
• 5.4.1 切削力分析58-59
• 5.4.2 应力场分析59-60
• 5.4.3 基体的破坏分析60-61
• 5.4.4 基体的损伤演化分析61-63
• 5.4.5 亚表面破坏分析63-64
• 5.5 振幅对超声振动切削过程的影响64-67
• 5.5.1 振幅对切削力的影响65
• 5.5.2 振幅对基体破坏的影响65-66
• 5.5.3 振幅对基体损伤的影响66-67
• 5.6 频率对超声振动切削过程的影响67-70
• 5.6.1 频率对切削力的影响67-68
• 5.6.2 频率对基体破坏的影响68
• 5.6.3 频率对基体损伤的影响68-70
• 5.7 本章小结70-71
• 第6章 总结与展望71-74
• 6.1 工作总结71-73
• 6.2 工作展望73-74
• 参考文献74-79
• 攻读硕士学位论文期间发表的学术论文79-80
• 参与的科研项目80-81
• 致谢81-82

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 耿林，袁哲俊，杨辉，姚忠凯;晶须取向对SiCw／Al复合材料切削表面质量的影响[J];材料工程;1994年02期

2 张厚江,陈五一,陈鼎昌;碳纤维复合材料切削机理的研究[J];航空制造技术;2004年07期

3 张厚江,陈五一,陈鼎昌;碳纤维复合材料的钻削加工[J];新技术新工艺;1998年05期

4 全燕鸣,曾志新,叶邦彦;复合材料的切削加工表面质量[J];中国机械工程;2002年21期

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本文编号：322749