【摘要】：利用ABAQUS有限元分析軟件,基于Hashin材料失效準(zhǔn)則構(gòu)建了碳纖維復(fù)合材料的二維正交切削模型。對(duì)不同纖維角度以及不同切削深度條件下材料所受的最大應(yīng)力進(jìn)行仿真分析,得出了纖維角度和切削深度與加工表面質(zhì)量之間的關(guān)系,為實(shí)際加工提供了理論依據(jù)。
【圖文】：

定刀具與材料內(nèi)部點(diǎn)的接觸情況，當(dāng)材料外表面失效時(shí)就無法模擬刀具與材料內(nèi)部的切削情況，仿真結(jié)果將會(huì)嚴(yán)重失真。在接觸屬性中，將摩擦因子設(shè)置為0．15，由于與切削均質(zhì)金屬不同，在切削CFＲP的過程中會(huì)出現(xiàn)崩刃、積屑瘤等破壞加工的情況，故設(shè)定參考點(diǎn)(ＲeferencePoint)時(shí)將刀具設(shè)置為剛性體。設(shè)置負(fù)載時(shí)，將工件底邊的六個(gè)自由度都設(shè)為0，工件兩側(cè)邊的X方向位移量U1設(shè)為0，將刀具X方向位移量U1設(shè)為負(fù)數(shù)，即設(shè)定切削方向沿X軸負(fù)方向，Y向位移U2和Z向轉(zhuǎn)動(dòng)UＲ3設(shè)為0。構(gòu)建的CFＲP二維切削仿真模型如圖1所示。該模型通過AssignMaterialOrientation功能來改變每次模擬的纖維角度。2.2構(gòu)建材料模型工件材料建模選用ABAQUS軟件專為復(fù)合材料而設(shè)定的正交彈性平面應(yīng)力模型———Lamina單層板模型。對(duì)于二維殼單元模型，材料屬性需要定義不同方向的彈性模量、泊松比、剪切模量等6個(gè)參數(shù)，定義參數(shù)見表1。(a)切削示意(b)仿真模型圖1二維切削仿真模型表1Lamina單層板材料參數(shù)密度ρ(g/mm3)1．42X方向彈性模量E1(MPa)135050Y方向彈性模量E2(MPa)9955泊松比Nu120．32XOY平面剪切模量G12(MPa)5176XOZ平面剪切模量G13(MPa)0YOZ平面剪切模量G23(MPa)0單層板材料有限元仿真分析的仿真過程能收斂材料屬性要求，表達(dá)式為E1，E2，G12，G13，G23＞0(1)|Nu12|＜E1E()21/2(2)2.3材料的失效準(zhǔn)則由于Hashin失效準(zhǔn)則可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)彈性—脆性材料的各向異性破壞，因此本模型采用該準(zhǔn)則作為CFＲP單層板材料的失效標(biāo)準(zhǔn)(見表2)。根據(jù)Hashin失效準(zhǔn)則定義的材料失效參數(shù)見表3。表2Hashin失效準(zhǔn)則表基體拉伸失效σ2Y()T2+τ

∪綾?所示的損傷演化參數(shù)。表4損傷演化參數(shù)定義表X方向拉伸斷裂極限GLT0．01X方向壓縮斷裂極限GLC0．005Y方向拉伸斷裂極限GTT0．0009Y方向壓縮斷裂極限GTC0．0063仿真結(jié)果及分析3.1不同纖維角度的仿真分析纖維角度θ對(duì)碳纖維復(fù)合材料切削性能的影響至關(guān)重要，為了更全面地了解纖維角度對(duì)切削性能的影響規(guī)律，本文以15°為增量，對(duì)0°至165°鋪層角度的應(yīng)力變化進(jìn)行了仿真分析。由于分析的角度較多，僅選取最常用的0°、45°、90°、135°鋪層角度對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行解析。(1)纖維角度θ=0°如圖2所示，切削加工表面平整無缺陷，應(yīng)力主要集中在刀尖及后刀面處。纖維角度為0°時(shí)，相當(dāng)于刀具平推著纖維移動(dòng)，因此不會(huì)產(chǎn)生垂直于纖維的軸向剪切力。由于基體強(qiáng)度與材料強(qiáng)度不同，導(dǎo)致隨著刀具的移動(dòng)，纖維被不斷擠壓變形，最后與基體剝離。隨著刀具的繼續(xù)移動(dòng)，已經(jīng)彎曲的纖維層最終被擠壓碎裂形成切屑，整個(gè)過程類似于刀具將纖維層從基體剝離的過程。這種切削也稱為層間分離型切削，主要變形位置位于切斷層的上方［5］，而應(yīng)力主要集中在后刀面，這是由于隨著前刀面及刀尖將纖維層與基體剝離，后刀面與基體直接接觸產(chǎn)生摩擦。由于刀尖不是非常鋒利，造成后刀面與基體間的壓力非常大，產(chǎn)生很大的應(yīng)力，造成刀具后刀面磨損，其磨損面為與基體接觸的部分。(a)θ=0°時(shí)的切削示意圖(b)θ=0°時(shí)的仿真圖圖2纖維角度θ=0°時(shí)的仿真結(jié)果(2)纖維角度θ=45°如圖3所示，切削加工表面很粗糙，類似于鋸齒形，應(yīng)力沿纖維方向傳遞，應(yīng)力集中部位主要位于前刀面和刀尖。刀具水平移動(dòng)時(shí)，切削力會(huì)分解為垂直于纖維的剪切分力和擠壓基體的拉伸分力。隨著刀具的進(jìn)給，剪切力不斷增大，直至達(dá)到纖維的剪切強(qiáng)度使纖維?

刀具的繼續(xù)移動(dòng)，已經(jīng)彎曲的纖維層最終被擠壓碎裂形成切屑，整個(gè)過程類似于刀具將纖維層從基體剝離的過程。這種切削也稱為層間分離型切削，主要變形位置位于切斷層的上方［5］，而應(yīng)力主要集中在后刀面，這是由于隨著前刀面及刀尖將纖維層與基體剝離，后刀面與基體直接接觸產(chǎn)生摩擦。由于刀尖不是非常鋒利，造成后刀面與基體間的壓力非常大，產(chǎn)生很大的應(yīng)力，造成刀具后刀面磨損，其磨損面為與基體接觸的部分。(a)θ=0°時(shí)的切削示意圖(b)θ=0°時(shí)的仿真圖圖2纖維角度θ=0°時(shí)的仿真結(jié)果(2)纖維角度θ=45°如圖3所示，切削加工表面很粗糙，類似于鋸齒形，應(yīng)力沿纖維方向傳遞，應(yīng)力集中部位主要位于前刀面和刀尖。刀具水平移動(dòng)時(shí)，切削力會(huì)分解為垂直于纖維的剪切分力和擠壓基體的拉伸分力。隨著刀具的進(jìn)給，剪切力不斷增大，直至達(dá)到纖維的剪切強(qiáng)度使纖維發(fā)生斷裂，但由于纖維的彈性模量比基體大得多，相對(duì)于基體不容易被擠壓變形，因此纖維發(fā)生斷裂時(shí)基體已先于纖維發(fā)生碎裂。由于纖維是受到剪切力作用而斷裂，并形成切屑，因此這種切削過程稱為纖維切斷型切削。未切除的纖維對(duì)加工表面具有支撐作用，可以獲得較好的加工表面質(zhì)量。(a)θ=45°時(shí)的切削示意圖(b)θ=45°時(shí)的仿真圖圖3纖維角度θ=45°時(shí)的仿真結(jié)果(3)纖維角度θ=90°如圖4所示，切削加工表面比較平滑，質(zhì)量較好，應(yīng)力主要沿纖維方向分布。垂直于纖維的剪切分力遠(yuǎn)大于沿纖維方向的拉伸分力，纖維束以刀具切斷為主，斷裂處比較整齊一致。θ=90°時(shí)，纖維垂直排列，刀具的切削力即為其剪切分力，此時(shí)的剪切力更容易達(dá)到纖維的剪切強(qiáng)度而切斷纖維，即所需的切削力較校隨著刀具的進(jìn)給，纖維束會(huì)比較整齊地?cái)嗔眩瑥亩@得較高的表面加工質(zhì)量。(a)θ=90°時(shí)?

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7 張U

本文編號(hào)：2753435