基于三维多相有限元的CFRP细观切削机理研究

为深入揭示碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced plastic/polymer,CFRP)切削机理,针对目前宏观单相有限元方法无法直观体现纤维和基体的失效形式、切屑类型等问题,借助数值仿真方法建立了CFRP直角切削的三维多相有限元模型。测量刀具刀尖形貌,根据刀具和CFRP设计数据提取CFRP纤维、基体细观几何信息,建立直角切削细观几何模型;基于定义材料本构用户子程序(User subroutine to define material behavior,VUMAT)分别定义纤维和基体的材料本构(弹塑性、失效准则、损伤演化方式),对不同纤维方向角的三维多相CFRP直角切削模型进行仿真分析;设计直角切削试验对仿真结果进行对比验证。仿真结果直观地展示了基体和纤维的失效形式、切屑形成过程、不同情况下切削亚表面损伤深度,通过各种情况下切削力数据的分析,揭示了切削力随纤维方向角的变化规律,并通过试验验证了该有限元建模仿真方法的有效性。     

剪切载荷下温度和应变率对碳纤维增强聚醚醚酮复合材料强化行为的影响

碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)是一种高性能热塑性复合材料,在航空航天领域有着广阔的应用前景。由于PEEK具有温度和应变率相关的非线性行为,导致CF/PEEK复合材料在基体主导的面内剪切方向也有类似的力学行为。本文在不同的温度和应变率下对CF/PEEK复合材料试件进行了剪切实验,将应力-应变曲线分为线性与非线性部分,发现温度和应变率对CF/PEEK复合材料的屈服应力有着较大的影响。随着温度从20℃升高到130℃屈服应力下降了66%左右,下降速度先快后慢,随着应变率从10?5 s?1提高到0.1 s?1屈服应力均匀增大了35%左右。将所得规律拟合背应力经验公式,修改了经典的热塑性复合材料本构模型的屈服函数。并编写VUMAT用户子程序对CF/PEEK复合材料剪切实验进行数值分析,与实验结果对比发现非线性阶段的剪切应力-应变关系及屈服点的剪切应力吻合良好,但是由于纤维和PEEK基体的浸润性较差,导致CF/PEEK复合材料内部存在孔隙缺陷,影响了CF/PEEK复合材料的初始剪切弹性行为,导致加载初始阶段存在偏差。      

Ti45Nb铆钉脉冲电流辅助压铆成形性能分析

为改善Ti45Nb铆钉紧固飞机碳纤维增强复合材料（CFRP）结构时的连接性能,拓宽普通铆钉的适用紧固范围,降低铆接成本,提高连接强度,引入了脉冲电流来辅助压铆。设计了电流前处理辅助铆接试验和同步电流处理辅助铆接试验,围绕两种新工艺及其与常规铆接工艺之间的紧固质量与特性展开了对比研究。测试了不同工艺下铆钉截面的典型硬度,对比观测了铆钉不同区域的微观金相与组织成分,分析了电流导致微观组织差异及元素成分区别的原因,最后评估了不同接头的拉伸强度与破坏行为,测试结果验证了电流辅助铆接工艺的有效性与可行性。     

基于热力耦合仿真的CFRP直角切削机理研究

直角切削是航空航天领域纤维增强复合材料CFRP加工性能分析的重要手段。通过有限元仿真的方式,考虑切削热的影响,以直角切削的表现形式模拟CFRP材料的加工过程,分别对纤维方向角为0°,45°,90°,135°的直角切削模型进行动态仿真分析。采用Hashin损伤准则及其损伤演化准则定义材料的失效,在模拟热力耦合切削过程时将工件单元类型选为温度—位移耦合型,输出仿真结果,使用ABAQUS软件的后处理模块处理得到不同纤维方向角的加工模型的温度云图与应力云图,对其所表现出的各向异性进行了探讨。对建立起的CFRP切削仿真结果进行分析,将切削热作为比对标准,分析切削力—切削热的关联性。     

基于钻削力建模的热塑性复合材料钻削力热规律研究

热塑性复合材料(CFRTP)因韧性强、易修复、可回收等优异性能而广泛运用于飞机制造中,本文主要围绕CFRTP材料钻孔热量规律展开一系列研究。搭建了CFRTP钻削试验平台,采用6刀具进行了一组试验,测得钻削力和钻削温度,建立了钻削力的经验公式和CFRTP钻削热源模型,讨论了转速、进给速度、刀具尺寸与钻削产热之间的关系。试验验证了模型,两者具有较高一致性,可以为控制钻削热进而降低制孔热损伤提供理论依据。