cfrp金属叠层结构钻削力建模与分层控制方法研究

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1、学校代码10699分类号V261.97密级学号2010100405西北工业大学题目CFRP/金属叠层结构钻削力建模与分层控制方法研究作者齐振超学科、专业航空宇航制造工程指导教师李原申请学位日期2015年11月西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：CFRP/金属叠层结构钻削力建模与分层控制方法研究作者：齐振超学科专业：航空宇航制造工程指导教师：李原2015年11月DrillingForceModelingandDelaminationSuppressionStrategyAnalysisofCFRP-metalSta

2、cksByQiZhenchaoUndertheSupervisionofProfessorLiYuanADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofPhilosophyinAeronauticalandAstronauticalManufacturingEngineeringXi’anP.R.ChinaNov.2015摘要摘要航空航天产

3、品的更新换代和性能要求的不断提升，对航空材料的各方面性能提出了更高的要求。作为先进复合材料的重要一类，碳纤维增强复合材料（CarbonFiberReinforcedPlastic/Polymer,CFRP）由于比强度高、比模量大、耐腐蚀等特点，在航空航天领域应用越来越广泛，形成大量的CFRP/金属叠层（CMSs）机械连接结构，麻花钻及其改型钻头的钻孔是完成CMSs机械连接的重要工艺。CFRP是由纤维和基体组成的多相结构，具有非匀质性、各向异性、硬度高等特点，切削加工难度较大，极易出现分层损伤，对复合材料结构件服役性能影响

4、极大。CMSs制孔要求刀具参数和工艺参数同时满足两种材料的钻削加工，对制孔工艺提出了更苛刻的要求。当前工程中CMSs制孔并没有形成专业、系统的工艺方法，工艺参数的选择主观性大、工艺控制粗糙，导致制孔质量不稳定、产品报废率高，严重影响了飞机装配的质量和效率。针对以上问题，本文围绕CMSs钻削力建模与分层控制方法进行研究，提出了CFRP三维多相细观切削有限元仿真分析方法并深入揭示了CFRP细观切削行为，建立了CFRP细观切削力学模型，提出了五阶段全周期瞬时钻削力预测方法，建立了CMSs钻孔分层临界轴向力预测模型，提出了钻孔分

5、层损伤控制策略。全文主要研究内容及成果如下：1）提出了CFRP三维多相细观切削有限元仿真分析方法并深入揭示了CFRP细观切削行为。定义特征体单元（RepresentativeVolumeElement,RVE）在简单载荷情况下的拉伸、压缩、剪切、弯曲、层间剥离等基本变形形式，分别讨论每种变形形式的受载情况及破坏方式，提取四种典型角度对细观切削行为进行分析，定性分析了不同情况下各种基本变形形式的权重及其变化规律。测量刀具刀尖形貌，综合刀具设计中的前角、后角信息，提取CFRP纤维、基体细观几何信息，建立了四种不同纤维方向角的

6、直角切削细观几何模型，在ABAQUS环境下，基于定义材料本构用户子程序（UserSubroutinetoDefineMaterialBehavior,VUMAT）分别定义基体和纤维的材料本构，设置刀具与基体和纤维的接触，应用缩减积分沙漏控制的八节点线性实体单元C3D8R，对不同纤维方向角的三维多相的CFRP直角切削模型进行了动态仿真分析。输出纤维方向角θ=0°、θ=45°、θ=90°、θ=135°的有限元仿真结果，分析其切屑形成方式、亚表层损伤规律、切削力变化规律等，并用扫描电镜观察实验件微观形貌，与仿真结果进行验证对比

7、，较好地揭示了细观切削行为。2）建立了CFRP细观切削力学模型。对切削类型进行精确的分界点讨论，考I西北工业大学博士学位论文虑临近材料的背部支撑作用对变形的影响，基于最小势能原理，采用半无限长RVE假设，得到RVE变形挠度的微分方程，进一步得到其变形挠度曲线。在挠度曲线的基础上，根据纤维强度极限计算刀尖刃口处产生的切削力，同时，分别计算前刀面和后刀面相关的切削力，最终建立了CFRP的细观切削力学模型，揭示了细观切削行为，为钻削力预测奠定基础。搭建了切削力测量平台，设计了CFRP直角切削刀具及夹具，完成了对力学模型的验证，

8、并对比分析其结果，总结了各参量对制孔行为的影响规律，解释了偏差产生的原因。3）提出了五阶段全周期瞬时钻削力预测方法。进行了钻削加工模型解构，探明了钻削加工初级参数在细观微元切削中的体现方式，建立了以纤维方向角为主的细观参数的变化规律模型。在CMSs钻削工艺分析的基础上，将钻削过程划分为五个阶段，对每个阶段内的任意时刻