碳纤维复合材料去除过程的细观仿真建模方法

摘要

本发明一种碳纤维复合材料去除过程的细观仿真建模方法属于有限元仿真切削领域，涉及一种碳纤维增强环氧树脂基复合材料切削加工中，材料去除过程的细观仿真建模方法。仿真建模方法利用有限元软件进行碳纤维复合材料切削的二维细观建模，采用多相建模方法有纤维相、基体相、界面相和等效均质相；不同组成相使用不同的材料模型，材料模型分别基于各自的材料本构，损伤起始和演化准则，建立了四种典型纤维角度的二维细观切削模型。本发明从细观层面的破坏到宏观切屑形成完整过程，节省了大量的人力成本、实验成本以及经济成本，并避免了实验方法难以在线观测的难题。

主权项

一种碳纤维复合材料去除过程的细观仿真建模方法，其特征在于，仿真建模方法利用有限元软件进行碳纤维复合材料切削的二维细观建模，采用多相建模方法：有纤维相、基体相、界面相和等效均质相；不同组成相使用不同的材料模型，材料模型分别基于各自的材料本构，损伤起始和演化准则，建立了四种典型纤维角度的二维细观切削模型，仿真建模方法的具体步骤如下：步骤1：工件设置为二维变形体，不考虑刀具变形，设刀具为刚体，创建几何模型；步骤2：对切削区域网格进行细化处理，切削区内有纤维相、基体相和界面相，纤维相和基体相之间要有界面相；为了提高计算效率，将不参与切削的工件部分定义为等效均质相；步骤3：在工件上划分网格，单元类型为平面应力单元；不同组成相网格生成方式及单元类型不同，纤维相、基体相采用结构性四面体网格；等效均质相采用自由四面体网格；由于界面相其特殊的功能，单元需要扫略生成，单元类型为Cohesive单元；步骤4：给不同相赋予相应的材料属性；其中，纤维相沿纤维角度和垂直于纤维角度材料性能差别很大，所以将碳纤维作为正交各向异性材料处理；由于碳纤维是脆性材料，不考虑塑性变形的影响，使用虑及损伤的线弹性本构，失效准则为Hashin失效准则；其中，所述的虑及损伤的本构模型为：$\left[\begin{array}{c}{ϵ}_1\\ {ϵ}_2\\ {\gamma }_{12}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\frac{1}{1-d_f}& 0& 0\\ 0& \frac{1}{1-d_m}& 0\\ 0& 0& \frac{1}{1-d_s}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\frac{1}{E_1}& \frac{-{\upsilon }_{12}}{E_1}& 0\\ \frac{-{\upsilon }_{12}}{E_1}& \frac{1}{E_2}& 0\\ 0& 0& \frac{1}{G_{12}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\sigma }_{11}\\ {\sigma }_{22}\\ {\tau }_{12}\end{array}\right]---\left(1\right)$式中，ε₁，ε₂，γ₁₂分别为纤维方向应变，垂直于纤维方向应变和工程剪应变；d_f，d_m，d_s分别为纤维破坏损伤因子，基体破坏损伤因子，剪切破坏损伤因子；E₁为纤维方向弹性模量，E₂垂直于纤维方向弹性模量，G₁₂为剪切模量，υ₁₂为泊松比；σ₁₁，σ₂₂，τ₁₂分别为纤维方向应力，垂直于纤维方向应力和剪应力；使用的失效准则为Hahsin失效准则，公式如下：$F_f^t={\left(\frac{{\hat{\sigma }}_{11}}{X^T}\right)}^2+\alpha {\left(\frac{{\hat{\tau }}_{12}}{S^L}\right)}^2$$F_f^c={\left(\frac{{\hat{\sigma }}_{11}}{X^C}\right)}^2$$F_m^t={\left(\frac{{\hat{\sigma }}_{22}}{Y^T}\right)}^2+{\left(\frac{{\hat{\tau }}_{12}}{S^L}\right)}^2---\left(2\right)$$F_m^c={\left(\frac{{\hat{\sigma }}_{22}}{2S^T}\right)}^2+[{\left(\frac{Y^C}{2S^T}\right)}^2-1]\frac{{\hat{\sigma }}_{22}}{Y^C}+{\left(\frac{{\hat{\tau }}_{12}}{S^L}\right)}^2$式中，为纤维拉伸失效判据，为纤维压缩失效判据，为基体拉伸失效判据，为基体压缩失效判据；X^T，X^C，Y^T，Y^C分别为纤维方向拉伸强度，纤维压缩强度，基体拉伸强度，基体压缩强度；S^L，S^T分别为沿纤维方向剪切强度和垂直于纤维方向剪切强度；分别为纤维方向应力，垂直于纤维方向应力和剪应力；基体相材料为树脂，使用的损伤起始准则为Shear损伤，损伤起始判据如下：${\omega }_S=\int \frac{d{\overline{ϵ}}^{\mathrm{pl}}}{{\overline{ϵ}}_S^{\mathrm{pl}}({\theta }_S,{\stackrel{·}{\stackrel{‾}{ϵ}}}^{\mathrm{pl}})}---\left(3\right)$其中，ω_S为剪切损伤判据，是剪切应力比和应变率的函数；本发明使用Cohesive单元来模拟界面相；下式为界面单元损伤起始准则，当cohesive单元满足下述条件时，开始失效；${\left\{\frac{<{\sigma }_n>}{{\sigma }_n^0}\right\}}^2+{\left\{\frac{{\sigma }_S}{{\sigma }_S^0}\right\}}^2=1---\left(4\right)$损伤演化过程如下，损伤因子D用以描述刚度折减过程，使用断裂能法作为最终失效判据：${\bar{\sigma }}_n=\left\{\begin{array}{cc}(1-D){\sigma }_n,& {\sigma }_n\ge 0\\ {\sigma }_n& {\sigma }_n<0\end{array}\right.---\left(5\right)$${\bar{\sigma }}_S=(1-D){\sigma }_S$$D=\frac{u_m^f(u_m-u_m^0)}{u_m(u_m^f-u_m^0)}---\left(6\right)$其中，σ_n为法向应力，σ_S为切向应力，为起始失效法应力，为起始失效切应力；D为损伤因子，u_m为位移量，为最大位移，为起始失效位移；为了提高计算效率，对于不参与切削的工件部分定义为等效均质相；由于其不参与切削，因此不需要定义其损伤准则；步骤5：用有限元分别导入网格工件和刀具进行装配；调整刀具与工件的相对位置，即确定切削深度；刀具与工件尽量靠近，但不能相互侵入；步骤6：定义刀具与工件之间的接触方式，首先定义接触属性，摩擦类型为库伦摩擦，切向接触方式定义为罚接触，摩擦系数为0.4，法向接触方式定义为硬接触；刀具与工件接触类型为面点接触，即选择刀具外表面和工件切削区的节点作为相互接触对；步骤7：给定刀具切削速度，并设置工件边界约束；在设置边界约束时，选择工件底边上所有点，限制其6个方向的自由度，工件即被固定，即：U_x＝U_y＝U_z＝U_Rx＝U_Ry＝U_Rz＝0式中，U_x，U_y，U_z分别为沿x,y,z方向移动的自由度，U_Rx，U_Ry，U_Rz分别为绕x,y,z转动的自由度；步骤8：分别计算纤维方向角度为θ＝0°，45°，90°，135°四种典型纤维角度的仿真切削结果，从而得到不同纤维角度下碳纤维增强环氧树脂基复合材料去除过程。