基于细观仿真建模的CFRP细观破坏

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)在细观上呈现纤维、树脂及界面组成的混合态,其切削加工过程的实质为刀具作用下材料细观层面的破坏至切屑宏观形成的演化过程。为了揭示CFRP切削加工过程中材料的细观破坏,建立了CFRP切削的细观有限元模型。该模型在几何上包含了纤维、基体及界面等组成相,而不是使用传统的等效均质建模方法。各组成相不仅考虑了各自不同的材料本构,而且为了能够模拟材料破坏,还将各组成相材料的失效及演化准则考虑其中。该模型可从细观层面更真实地模拟不同纤维角度CFRP单向板切削过程中纤维/基体断裂、界面开裂及演化的过程。仿真结果表明:不同纤维角度下CFRP细观破坏不同,切削0℃FRP时以界面开裂和纤维弯断为主;切削45°/90℃FRP时主要是刀具侵入工件,纤维基体被压断;切削135℃FRP时则以纤维弯曲断裂为主,断裂面往往在加工面以下。通过实验显微在线观测手段验证了模拟结果的正确性。      

FRP制件修复用在位加工铣床的床身优化

内补片胶接技术是一种修复FRP制件缺陷、损伤的常用方法。工程中急需一种该方法中内凹阶梯结构的在位加工机床。此类薄壁弱刚性制件受压易变形。因此,对该机床床身进行轻量化设计,以减小受压变形对加工质量的影响。以某型在位加工机床原型机环形BFPC床身为研究对象,首先基于原型机工况分析,明确了床身的综合性能指标;采用拓扑优化技术,获得了最优拓扑的床身结构;进而,通过规则化结构参数,并设计正交实验,辨识了机床质量及综合性能的主要影响因素;最后,建立了以规则化结构参数为变量,床身质量及振幅最小为目标的多目标优化函数,获得了最优拓扑和最优性能的床身。     

CFRP切削加工中刀具磨损研究进展

从不同类基体材料的未涂层、涂层刀具2个方面,综述了CFRP切削加工用刀具的磨损部位及形式。现有研究均以宏、微观实验观测为主,宏观上,磨损位置以后刀面磨损及切削刃钝化最为常见;微观上表现为纤维硬质点与刀具间摩擦所致的磨粒磨损,随着切削温度、速度的提高,同时伴有粘着、氧化磨损。整体来说,金刚石类刀具耐磨性表现最佳,尤其适用于连续切削加工的场合。高强、高硬纤维高频刮擦作用下的磨粒、疲劳磨损仍是该类刀具磨损的主要威胁。当前所采用的辅助工艺(冷却气体、微量润滑、超声振动等)、涂层材料改性、微结构等方法,在一定程度上改善了摩擦条件,抑制了刀具磨损,但仍难以满足CFRP连续高质高效加工需求。可见,如何从微纳观多尺度方向深入研究金刚石类刀具的磨损机理及抑制策略,是CFRP高质高效加工的亟需。     

基于径向基函数神经网络的CFRP切削力预测

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)加工中基体相极易因切削力过大而破坏,并迅速扩展至加工表面以下而形成损伤。为了准确预测其切削力并加以控制,基于实验切削力数据建立了人工神经网络切削力模型,预测了不同纤维角度、切削深度和刀具角度下加工CFRP的切削力变化规律,并完成了不同刀具角度及切削参数下典型纤维角度CFRP单向板的直角切削实验,对预测模型进行验证,其预测精度可达85%以上。结合成屑过程在线显微观测结果可知:纤维角度是影响CFRP切削力的主要因素, 0°~135°范围内,切屑形成方式为切断型和开裂后弯断型;切削力随纤维角度增大呈先减小后增大的趋势, 135°时最大,随切削深度增加,切削力总体呈增大趋势。      

CFRP柔性件保形加工中的变形控制

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)柔性件的保形加工是航空航天高端装备制造的重要环节,柔性件的可靠装夹是控制加工变形、降低加工尺寸偏差的前提。首先,在理论分析的基础上,明确了柔性件装夹中夹紧及摩擦约束基本条件,提出了基于悬臂梁理论的“随形-就近”吸盘分布原则。进而,使用“ISIGHTABAQUS”联合仿真方法,实现了不同装夹条件及等效切削力作用下CFRP柔性件变形的仿真分析,分析表明：真空吸盘的弹性变形易加大装夹变形,应采用弹性真空吸盘与刚性定位吸盘组合的方式;定位吸盘数量为8、12或16,并“随形-就近”分布时,真空吸盘数量及分布对柔性件变形的影响可忽略。最后,仿真与实验分析了考虑定位几何量偏差时的加工尺寸偏差,仿真与实验结果规律基本一致,优化装夹后的加工尺寸偏差最大降幅达57.7μm (35%);综上,CFRP柔性件保形加工中变形引起的加工尺寸偏差不容忽略,在“随形-就近”、“定位与真空吸盘组合”原则下优化装夹可以大幅降低变形引起的尺寸偏差。     

基于相似理论的枸杞微波干燥过程模型研究

根据枸杞微波段干燥过程的相关影响因素,采用量纲分析的方法推导出微波段枸杞水分干燥过程的相似准则;再利用实验方法确定导出相似准则的具体函数关系,建立枸杞微波段干燥过程的水分相似型经验公式,通过试验验证,导出模型的预测值与实测值的最大相对误差为4.9%;最小的相对误差只有0.7%;最合适的微波功率为185-200-215 W。可以在试验范围的参数内较准确地预测和分析枸杞即时含水率。