一种碳纤维复合材料钻削损伤的表征方法

摘要

本发明一种碳纤维复合材料钻削损伤的表征方法属于损伤评价领域，涉及一种碳纤维复合材料钻削损伤的综合表征方法。表征方法考虑复合材料实际加工过程中产生的分层、毛刺、撕裂损伤现象，采用这三种损伤对工件性能影响的权重系数，推导出损伤表征因子公式，通过建立分层、毛刺、撕裂这三种损伤因子与工件力学性能参数之间的回归模型，确定三种损伤的权重系数后，得到加工损伤的综合表征因子。本发明不仅计算简单，结果准确，使计算得到的损伤综合评价因子更具有说服力，而且具有很好的工程应用前景。

主权项

一种碳纤维复合材料损伤的表征方法，其特征是，表征方法考虑复合材料加工过程中产生的分层、毛刺、撕裂损伤现象，针对这三种损伤对工件性能的影响，采用权重系数方式推导出损伤表征因子公式；通过建立分层、毛刺、撕裂这三种损伤因子与工件力学性能参数之间的回归模型，由三种损伤的权重系数得到加工损伤的综合表征因子；表征方法的具体步骤如下：步骤1：计算分层损伤对于加工质量的影响因子复合材料的分层损伤通常出现在出口表层材料之间，通过声学显微镜对钻削后样件的孔周边进行局部扫描，得到从入口到出口的分层损伤信息在投影平面上的叠加；读取分层损伤的面积，并计算孔的面积，得到分层损伤对加工质量的影响因子：$F_1=\frac{S_{damage}}{S_{hole}}---\left(1\right)$式中，F₁为分层损伤对加工质量的影响因子，S_damage为分层损伤在投影平面内叠加的面积，S_hole为孔的面积；步骤2：计算毛刺损伤对加工质量的影响因子复合材料毛刺损伤是指加工后材料表层未被切断的纤维，由于复合材料具有方向性，钻削过程中毛刺经常出现在两个对称的范围内；分别以毛刺产生区域的长度a为边，以平行于表层纤维方向的最大毛刺长度b为边，建立三角形，用两个三角形的面积对毛刺进行评价，得到毛刺损伤对加工质量的影响因子为：$F_2=\frac{S_{tri-1}+S_{tri-2}}{S_{hole}}---\left(2\right)$式中，F₂为毛刺损伤对加工质量的影响因子，S_tri‑1为三角形1的面积，S_tri‑2为三角形2的面积，S_hole为孔的面积；步骤3：计算撕裂损伤对加工质量的影响因子复合材料撕裂通常发生在材料的表层，钻孔时在孔的出口侧产生一些具有宽度和厚度的撕裂损伤，由于撕裂宽度和厚度均对加工质量产生影响，因此，采用等效体积进行评价，得到撕裂损伤对加工质量的影响因子为：$F_3=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{S}_{dis-i}\times H_{mean-i}}{\pi {\left(\frac{d}{2}\right)}^{2}t}---\left(3\right)$$H_{mean-i}=\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\left(H_{mean-i}\right)}_j---\left(4\right)$式中，F₃为撕裂损伤对加工质量的影响因子，S_dis‑i为第i个撕裂区域的面积，H_mean‑i为第i个撕裂区域的平均厚度，d为加工孔的直径，t为工件的厚度；步骤4：加工损伤的综合表征因子通过建立分层、毛刺、撕裂这三种损伤因子与工件力学性能参数之间的回归模型，确定三种损伤的权重系数，得到加工损伤的综合表征因子：F＝αF₁+βF₂+γF₃          (5)式中，F为加工损伤综合表征因子，F₁为分层损伤对加工质量的影响因子，F₂为毛刺损伤对加工质量的影响因子，F₃为撕裂损伤对加工质量的影响因子，α、β、γ分别代表分层、毛刺、撕裂的权重系数。