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纤维角度和切削深度对碳纤维复合材料切削性能的影响仿真

发布者: 顺畅 | 发布时间: 2021-2-23 08:36| 查看数: 57| 评论数: 0|帖子模式

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纤维角度和切削深度对碳纤维复合材料切削性能的影响仿真
李文鹏1,2,沈兴全1,2,郐红艺1,2,贺涛1,2,王振1,2
1中北大学;2山西省深孔加工工程技术研究中心
摘要:利用ABAQUS有限元分析软件,基于Hashin材料失效准则构建了碳纤维复合材料的二维正交切削模型。对不同纤维角度以及不同切削深度条件下材料所受的最大应力进行仿真分析,得出了纤维角度和切削深度与加工表面质量之间的关系,为实际加工提供了理论依据。
关键词:碳纤维复合材料;ABAQUS;纤维角度;切削深度;仿真分析
1 引言

复合材料是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料,它可以发挥不同材料的性能优势,克服单一材料的局限性,从而扩大材料的应用范围。碳纤维复合材料(CFRP)是以热固性树脂作为基体、碳纤维作为增强体的复合材料,其强度高、模量大、密度小,具有较高的比强度和很高的比模量。用CFRP制造一些形状复杂的零部件时,由于一次成型无法满足加工要求,必须进行切削、钻削等二次加工。由于碳纤维脆性大、抗冲击性能差以及呈各向异性的力学特性,导致CFRP的切削加工性能差,在加工过程中容易产生应力集中而导致分层、撕裂等加工缺陷,属于典型的难加工材料。而纤维角度作为铺层设计的重要参数,对CFRP材料的切削性能具有重要影响。

张厚江[1]以单向碳纤维复合材料为研究对象,将切削区划分为三个变形区,其研究表明,纤维方向、切削厚度、刀具前角等因素对切削力大小有明显的影响。熊威龙等 [2]用ABAQUS软件建立了CFRP的二维切削模型,通过对切削过程的模拟仿真,获得了切削力和工件表面加工质量随背吃刀量的变化规律。秦旭达等[3]对纤维方向不同的单向碳纤维复合材料进行了切削仿真,分析了不同纤维方向下的表面加工质量。梁艳芳等[4]对碳纤维复合材料加工孔的表面质量进行了深入研究,得到了切削参数对加工表面粗糙度的影响规律,研究表明,进给量对表面质量的影响大于主轴转速。但以上研究均未细化不同纤维角度下碳纤维复合材料的切削过程以及不同刀具前角对加工质量的影响。

ABAQUS是一款功能强大的有限元仿真软件,特别适合处理庞大而复杂的问题和模拟高度非线性问题。本文以Hashin失效准则为基础,利用ABAQUS软件的动态显示分析模块(Explicit),构建CFRP的二维切削仿真模型,对纤维角度对加工质量的影响进行仿真分析。

2 建立仿真模型
2.1 构建切削模型

构建切削模型时,以2D Shell壳模型为基础,工件模型设为8mm×5mm的单层碳纤维复合材料板,将刀尖接触区与非接触区隔离开,以更精确地模拟分析刀尖接触区与刀尖的接触情况。纤维角度先设置为0°,以后可直接通过局部坐标系来改变纤维角度。绘制的工件模型右上角为缺口型,并将刀尖接触区与未接触区分开,目的是凸显刀尖接触区,并对接触区内的网格进行细化,从而可以更精确地模拟加工过程中材料的破坏情况。刀具的正前角设为15°,后角设为10°。由于在实际加工中要求刀具刃口十分锋利,因此在建模时先将刀尖半径设为0.01,刀具切深设为1mm,尽量使其与实际加工情况保持一致。建立截面属性时,由于平面应力问题的截面属性必须设置为均质实心体(Homogeneous),而不能是壳体(Shell),因此本文建立的单层板二维模型的截面属性也设为均质实心体。

划分本切削模型网格时,工件的划分类型选用四边形(Quad)结构分网技术,刀具的划分类型选用三边形(Tri)自由分网技术。单元类型选用CPS4R,即4节点四边形双线性平面应力缩减积分单元。该单元对模型中位移的求解比较精确,且精度不受网格变形的影响。设置单元类型为显性动力学(Explicit),并将单元删除(Element Deletion)设置为“Yes”。网格单元的尺寸上限设置为0.05,划分网格后,工件所含网格为10,350个,刀具所含网格为707个。

设置接触时,将刀具的前刀面、后刀面和刀尖设置为一个面集合。划分网格后,将材料上半部分的节点区(Node Region)设置为点集合,并将刀具的面集合与材料的点集合设置为一个接触对,如果只将刀具与材料外表面设定解除,而未设定刀具与材料内部点的接触情况,当材料外表面失效时就无法模拟刀具与材料内部的切削情况,仿真结果将会严重失真。在接触属性中,将摩擦因子设置为0.15,由于与切削均质金属不同,在切削CFRP的过程中会出现崩刃、积屑瘤等破坏加工的情况,故设定参考点(Reference Point)时将刀具设置为刚性体。

设置负载时,将工件底边的六个自由度都设为0,工件两侧边的X方向位移量U1设为0,将刀具X方向位移量U1设为负数,即设定切削方向沿X轴负方向,Y向位移U2和Z向转动UR3设为0。

构建的CFRP二维切削仿真模型如图1所示。该模型通过Assign Material Orientation功能来改变每次模拟的纤维角度。

2.2 构建材料模型

工件材料建模选用ABAQUS软件专为复合材料而设定的正交弹性平面应力模型——Lamina单层板模型。对于二维壳单元模型,材料属性需要定义不同方向的弹性模量、泊松比、剪切模量等6个参数,定义参数见表1。

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[size=0.8em](a)切削示意

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[size=0.8em](b)仿真模型
图1 二维切削仿真模型

[size=0.8em]表1 Lamina单层板材料参数
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单层板材料有限元仿真分析的仿真过程能收敛材料属性要求,表达式为

E1,E2,G12,G13,G23>0

(1)

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(2)

2.3 材料的失效准则

由于Hashin失效准则可以准确预测弹性—脆性材料的各向异性破坏,因此本模型采用该准则作为CFRP单层板材料的失效标准(见表2)。根据Hashin失效准则定义的材料失效参数见表3。

[size=0.8em]表2 Hashin失效准则表
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[size=0.8em]表3 Hashin失效准则参数定义表 (MPa)
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损伤演化参数(Damage Evolution)的定义对于仿真的准确程度至关重要,根据参考文献[3]的研究结论,合理选取如表4所示的损伤演化参数。

[size=0.8em]表4 损伤演化参数定义表
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3 仿真结果及分析
3.1 不同纤维角度的仿真分析

纤维角度θ对碳纤维复合材料切削性能的影响至关重要,为了更全面地了解纤维角度对切削性能的影响规律,本文以15°为增量,对0°至165°铺层角度的应力变化进行了仿真分析。由于分析的角度较多,仅选取最常用的0°、45°、90°、135°铺层角度对仿真结果进行解析。

(1)纤维角度θ=0°

如图2所示,切削加工表面平整无缺陷,应力主要集中在刀尖及后刀面处。纤维角度为0°时,相当于刀具平推着纤维移动,因此不会产生垂直于纤维的轴向剪切力。由于基体强度与材料强度不同,导致随着刀具的移动,纤维被不断挤压变形,最后与基体剥离。随着刀具的继续移动,已经弯曲的纤维层最终被挤压碎裂形成切屑,整个过程类似于刀具将纤维层从基体剥离的过程。这种切削也称为层间分离型切削,主要变形位置位于切断层的上方[5],而应力主要集中在后刀面,这是由于随着前刀面及刀尖将纤维层与基体剥离,后刀面与基体直接接触产生摩擦。由于刀尖不是非常锋利,造成后刀面与基体间的压力非常大,产生很大的应力,造成刀具后刀面磨损,其磨损面为与基体接触的部分。

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[size=0.8em](a)θ=0°时的切削示意图

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[size=0.8em](b)θ=0°时的仿真图
图2 纤维角度θ=0°时的仿真结果

(2)纤维角度θ=45°

如图3所示,切削加工表面很粗糙,类似于锯齿形,应力沿纤维方向传递,应力集中部位主要位于前刀面和刀尖。刀具水平移动时,切削力会分解为垂直于纤维的剪切分力和挤压基体的拉伸分力。随着刀具的进给,剪切力不断增大,直至达到纤维的剪切强度使纤维发生断裂,但由于纤维的弹性模量比基体大得多,相对于基体不容易被挤压变形,因此纤维发生断裂时基体已先于纤维发生碎裂。由于纤维是受到剪切力作用而断裂,并形成切屑,因此这种切削过程称为纤维切断型切削。未切除的纤维对加工表面具有支撑作用,可以获得较好的加工表面质量。

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[size=0.8em](a)θ=45°时的切削示意图

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[size=0.8em](b)θ=45°时的仿真图
图3 纤维角度θ=45°时的仿真结果

(3)纤维角度θ=90°

如图4所示,切削加工表面比较平滑,质量较好,应力主要沿纤维方向分布。垂直于纤维的剪切分力远大于沿纤维方向的拉伸分力,纤维束以刀具切断为主,断裂处比较整齐一致。θ=90°时,纤维垂直排列,刀具的切削力即为其剪切分力,此时的剪切力更容易达到纤维的剪切强度而切断纤维,即所需的切削力较小。随着刀具的进给,纤维束会比较整齐地断裂,从而获得较高的表面加工质量。

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[size=0.8em](a)θ=90°时的切削示意图

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[size=0.8em](b)θ=90°时的仿真图
图4 纤维角度θ=90°时的仿真结果

(4)纤维角度θ=135°

如图5所示,切削加工表面存在很大缺陷,锯齿感明显,应力大致也沿纤维角度分布。此时纤维会受到垂直于纤维的剪切力和平行于纤维的拉伸力作用,即切削类型为弯曲剪切型。当纤维角度增大时,拉伸力也不断增大,随着刀具不断进给,拉伸力达到纤维的抗拉强度时纤维即发生断裂,但断裂点不在刀尖切削刃处,而在此束纤维所受的最大应力处,且无法定位其具体断裂位置(图5中的断裂处向材料深处延伸)。由于纤维的强度比基体高,因此纤维断裂时基体也会碎裂,造成加工表面非常粗糙,产生的毛刺较多。

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[size=0.8em](a)θ=135°时的切削示意图

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[size=0.8em](b)θ=135°时的仿真图
图5 纤维角度θ=135°时的仿真结果

仿真得到的最大应力与纤维角度的关系如图6所示。由图可知,碳纤维复合材料在加工过程中所受的最大应力随纤维角度的变化十分明显。就实际存在的纤维角度而言,90°时所受的应力最小,对应的表面加工质量也较好;135°时所受的应力最大,对应的表面加工质量也最差;0°和45°时所受的应力居中,但0°时所受的应力略低于45°时,这是由于0°时刀具的进给力全部转换为挤压纤维的水平分力,垂直于纤维的剪切分力为零,此时的切削类型属于层间分离型切削。

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[size=0.8em]图6 最大应力随纤维角度的变化

3.2 不同切削深度的仿真分析

为研究不同切削深度对材料所受最大应力的影响规律,选取0.2mm、0.5mm和1mm的切削深度进行模拟仿真,所得结果如图7所示。由图可知,在加工过程中,碳纤维复合材料所受的最大应力随切削深度呈整体变化趋势。随着切削深度的减小,各纤维角度下所受的最大应力均呈下降趋势,且在各切削深度下,对应不同纤维角度的最大应力变化趋势与前述分析相同。

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[size=0.8em]图7 不同切削深度时最大应力的变化曲线

4 结语

通过构建二维正交切削模型对不同纤维角度和不同切削深度条件下碳纤维复合材料在加工中所受应力的变化规律进行了仿真分析,由仿真结果可知:

(1)切削加工碳纤维复合材料时,应力会随着纤维角度的变化而变化,所受应力大的加工表面质量较差,所受应力小的加工表面质量较好,因此纤维角度为90°时获得的加工表面质量最好,0°与45°时加工表面质量次之,135°时加工表面质量最差。实际加工中所产生的分层、毛刺等缺陷在切削纤维角度为135°的材料时最为严重。

(2)随着切削深度的增加,各纤维角度下的碳纤维复合材料所受应力均有所增大,故在实际切削加工中,应尽可能选取较小的切削深度。

参考文献
[1]张厚江.单向碳纤维复合材料直角自由切削力的研究[J].航空学报,2005,26(5):604-609.
[2]熊威龙,戴斌煜,商景利,等.碳纤维复合材料切削过程的有限元模拟[J].材料兵器科学与工程,2014,37(1):86-89.
[3]秦旭达,李永行,王斌,等.CFRP纤维方向对切削过程影响规律的仿真研究[J].机械科学与技术,2016,35(3):472-476.
[4]梁艳芳,王春民,刘小建.钻削参数对碳纤维复合材料孔壁表面粗糙度影响的研究[J].高科技纤维与应用,2013,38(1):40-47.
[5]佟沐霖.碳纤维复合材料钻削过程仿真与实验研究[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学,2014.
[size=1.8em]Influence Simulation Research of Fiber Angle and CuttingDepth on Cutting Performance of CFRP
Li Wenpeng,Shen Xingquan,Kuai Hongyi,He Tao,Wang Zhen
Abstract: Based on the Hashin material failure criterion,a 2D orthogonal cutting model of carbon fiber reinforced plastics(CFRP) was constructed by using Abaqus finite element analysis software.The maximum stress of the CFRP material under different fiber angles and different cutting depth conditions was simulated and analyzed.The relationship between the fiber angle as well as the depth of cutting and the surface quality was obtained,which provides the theoretical basis for the actual machining.
Keywords: CFRP;ABAQUS;fiber angle;depth of cutting;simulation analysis
First Author:Li Wenpeng,College of Mechanical & Power Engineering,Shanxi Deep Hole Cutting ResearchCenter of Engineering Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China
收稿日期:2016年12月
中图分类号:TG704;TH161;V258
文献标志码:A
第一作者:李文鹏,中北大学机械与动力工程学院,山西省深孔加工工程技术研究中心,030051太原市

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