刀具织构轮廓对碳纤维增强复合材料面下损伤影响的切削仿真研究

为减小碳纤维增强复合材料（CFRP）加工时的面下损伤深度,创建了基于二维Hashin准则的宏观连续动态切削CFRP有限元模型,分析了切削力和面下损伤深度与纤维方向角之间的变化趋势,通过引入织构刀具来降低切削力及面下损伤深度,比较了沟槽形织构刀具、圆形织构刀具、三角形织构刀具切削CFRP的切削力和面下损伤。结果表明,不同织构刀具的切削力和面下损伤深度随纤维方向角变化趋势一致,均在0°时最小,90°达到最大值;织构刀具相对传统无织构刀具切削CFRP时均降低了切削力和面下损伤深度,其中圆形织构刀具降低程度最大;仿真模型经实验验证准确有效。     

超声振动辅助切削对碳纤维增强树脂复合材料面下损伤影响的仿真研究

碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）在传统加工（OC）过程中存在着切削力过大、表面质量不佳、面下损伤较为严重等问题。为了改善上述问题，本文提出使用超声振动辅助切削（UVC）工艺加工CFRP，通过仿真分析对切削力与面下损伤深度进行研究。结果表明：使用UVC加工CFRP可降低13%~80%的切削力，且纤维方向角对切削力影响较小。与OC相比，UVC切削0°、45°纤维方向角的CFRP时可以减少约50%的面下损伤深度；在切削90°、135°纤维方向角的CFRP时虽然没有改善面下损伤深度，但取得了较为平整的已加工表面以及较小的损伤区域。     

CFRP三维铣削仿真模型的建立及层间损伤分析

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有层间结合强度低、各向异性等特点,切削过程中易产生层间损伤。为了对CFRP铣削加工过程中的层间应力、层间损伤进行研究,建立了复合材料三维铣削仿真模型。该模型在结构上采用等效均质建模,层内单元利用VUMAT子程序建立了三维Hashin起始失效准则以及损伤演化过程模型,层间采用Cohesive单元连接以模拟层间损伤的产生及扩展。通过与实验切削力数值的比较,验证了仿真模型的准确性。利用该模型分析了切削力、层间应力及层间损伤随纤维方向角(0°、45°、90°、135°)的变化规律。结果表明:铣削过程加工损伤主要集中在近工件表面。铣削力、层间应力、层间损伤受纤维方向角的影响,纤维方向角为90°与135°时,轴向铣削力较大,层间应力与层间损伤均随纤维方向角的增加而增大,纤维方向角为135°时,层间应力最大,层间损伤最严重。     

单向CFRP螺旋铣削力建模

螺旋铣削加工工艺具有降低轴向力,改善排屑、散热条件等优点,螺旋铣削力是其重要过程指标之一。对单向CFRP螺旋铣削力建模方法展开研究,预测给定加工参数下的螺旋铣削力。首先,通过对螺旋铣削过程进行运动学分析和切屑几何分析,建立了螺旋铣削过程中侧刃、底刃动态切屑层模型,纤维切削方向角度模型和动态切削力计算模型。然后,分别通过侧刃直线槽铣实验和底刃半齿插铣实验,对各个切削方向角度下侧刃、底刃切削力系数进行了标定,并利用人工神经网络对切削力系数进行拟合。最后,将标定所得的切削力系数代入动态切削力计算模型中,建立了单向CFRP螺旋铣削过程动态切削力预测模型,并通过实验验证了模型的准确性。与现有模型相比,该模型不仅能够预测刀具螺旋运动周期内的切削力变化情况,还可以对每个刀具自转周期内的细节进行预测,通过考虑纤维切削方向角度对切削力系数的影响,反映了单向CFRP材料的各向异性,较为准确地预测了螺旋铣削力。     

直角切削6061-T6铝合金剪切区力学行为及微观结构演化预测

力学行为是塑性变形微观过程的宏观表现,早期的金属切削理论模型没有考虑微观结构对切削力的影响。在考虑热力耦合效应的基础上建立了基于位错密度材料模型的6061-T6铝合金直角切削力预测模型,分析了不同切削参数下基于位错运动的塑性变形机制对切削力的影响。结合等分剪切区和非等分剪切区模型,构建了第一变形区多物理场计算方法,提出一种切屑形成过程中由塑性变形引起的微观结构演化解析模型。通过测量切削力和切屑内晶粒尺寸对模型的可行性进行了初步验证。结果表明：剪切区长度变长引起参与位错滑移的材料增多是切削深度增大导致切削力增大的主要原因。增大切削速度导致切削力的降低不是单一变量影响的结果,而是应变降低引起位错增殖数量减少和温度升高引起位错湮灭作用增加的共同作用结果。非等分剪切区模型正确反映了第一变形区温度和应力的分布特征,且与二维有限元模型分布相一致,建立的第一变形区微观结构演化解析模型能够预测切屑内位错密度和晶粒尺寸。     

CFRP铣削有限元模型建立及切削力仿真分析

为探索碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)铣削加工过程中切削力与工艺参数之间的映射关系,建立CFRP铣削加工有限元仿真模型并对切削力进行分析。基于ABAQUS软件通过定义材料属性、材料失效模型、纤维铺层数和纤维方向建立了CFRP铣削加工二维有限元仿真模型,并对该模型进行了实验验证。基于该模型,分析了切削力与纤维方向角、铣削速度、每齿进给量和刀具前角等工艺参数之间的映射关系。仿真结果表明:纤维方向角从0°增大到90°,切削力呈现降低趋势,而纤维方向角从90°增大到180°,切削力呈现增大趋势。随着切削速度和每齿进给量的增大,切削力随之增大,而随着刀具前角增大,切削力随之减小。     

CFRP制孔加工切屑形成过程及分类北大核心CSCD

为了控制切屑形成,提高CFRP吸气式内排屑系统的排屑质量,建立了二维直角切削受力模型,研究了切屑的形成过程并对切屑形状进行预测并分类,用超景深显微镜(KEYENCE VHX-1000)对切屑进行观察,通过分析可得:切屑形成的主要原因是切屑弯曲折断与剪切失效,切屑的大小一般在1.02~1.80 mm,切屑的形状主要分为条形切屑、微圆型切屑和米形切屑三种,当温度达到树脂的玻璃化温度时,切屑发生变形,会出现C形屑并伴有纤维拔出现象,除不可估算占比的米形屑外,不同形态切屑的占比大小依次为条形切屑、微圆形切屑、C形屑和纤维拔出形切屑。实验结果与理论分析结果基本相吻合。     

搭接长度对CFRP-Al双搭接接头应变分布和失效模式的影响

首先,采用碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）与Al制备不同搭接长度双搭接胶接试验件,利用万能试验机进行拉伸试验,获得载荷-位移曲线和胶接接头失效形貌。然后,依据试验数据,基于连续损伤力学模型和3D Hashin失效判据模拟CFRP层合板损伤与演化,使用内聚力模型模拟胶层和基体损伤,获得CFRP层间应力分布与截面应力分布曲线。最后,在此基础上分析不同搭接长度下双搭接接头载荷-位移曲线与接头破坏模式,研究CFRP内部铺层应力分布对失效形貌影响,探究不同搭接长度下双搭接接头破坏机制。结果表明：搭接长度由20 mm增加至40 mm时,胶接接头力学性能显著提高;搭接长度大于40 mm后,搭接长度对力学性能的影响逐渐减弱。拉伸载荷导致90°纤维附近基体的1和2方向应力较大,产生应力集中,接头发生剪切与剥离破坏。双搭接接头失效过程为一侧发生剪切与剥离破坏,接头转变为单搭接结构,之后瞬间发生失稳,较大的剥离力使接头另一侧发生破坏。     

T800碳纤维增强复合材料精密切削加工机理

以正交切削试验为手段,研究T800 CFRP在小切削余量条件下的切削加工过程和表面形成规律,深入探讨了CFRP在精密切削加工中的切削取向、切削参数范围以及刀具刃口钝圆半径等几个关键问题。试验结果表明:CFRP在切削加工中表现出极为显著的各向异性,切削取向非常重要,0°和135°两个纤维方向上获取了较小的切削力,0°和90°两个纤维方向上形成了较为光滑、平整的表面质量。在精密削CFRP的场合,为获得较小的切削力并得到较好的加工表面质量,0°纤维方向角是最佳切削方向,切削速度应达到200 m/min以上,要选择较小的刀具刃口钝圆半径,切削厚度应大于刀具刃口钝圆半径。     

基于不同前角的航空铝合金切削过程分析

为合理选用刀具前角,研究前角变化对航空铝合金7050-T7451切削过程的影响.对前角影响进行理论分析,并借助有限元软件ABAQUS/Explict建立热力耦合的平面应变正交切削模型,采用Johnson-Cook材料本构关系及失效准则模拟不同刀具前角时切屑的形成过程,对比分析了前角变化对切屑形态、切削力和切削温度的影响.仿真结果表明,大前角的刀具有利于改善切削过程,但为避免产生带状切屑,合理的前角范围应为8°～l6°.通过对两种方法的分析结果对比,验证了有限元模型的准确性,对实际加工具有一定的指导意义.     

复合材料纤维铺放路径规划与丝数求解

 提出了一种复合材料纤维铺放路径的生成算法。首先探讨了铺放方向的确定，基于由芯模形心线得到的铺放参考线，针对沿0°，45°，90°这3种铺放情况，设计了具体的铺放路径生成算法。在此基础上，建立了纤维丝数与铺放路径间的对应关系，基于铺放路径的等距离线，提出并实现了一种纤维裁剪算法，使得复合材料纤维较为均匀地铺放在芯模表面。基于CATIA CAA，开发了相应软件模块。通过铺放过程的模拟，对本文算法进行了验证。     

超高分子量聚乙烯纤维/碳纤维混杂复合材料研究

研究了在层内和层间两种混杂方式下,T300与表面处理前后的超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维混杂复合材料的弯曲强度和ILSS的变化,结果表明层间混杂复合材料的黏结性比层内混杂好。在相同的混杂方式下,采用未处理的DC88纤维、合成的VE树脂,混杂复合材料的ILSS比E 51体系提高25%以上。采用VE树脂和处理后DC88/T300层间混杂,控制含胶质量在40%时,ILSS达到42.5MPa,是未处理的DC88/E 51体系的ILSS的5倍。混杂复合材料密度在1.12～1.24g/cm³之间,在航空航天结构材料减重上有良好的应用前景。     

纤维增强热塑性塑料中纤维含量的精确调控

研究了双螺杆挤出机生产纤维增强热塑性塑料时,纤维股数、双螺杆转速、塑料喂料量与纤维含量的关系,通过调节此三个参数,纤维含量可精确控制在±0.1wt％的范围内.当主机螺杆转速和塑料喂料量,或纤维股数和塑料喂料量同时增加,挤出造粒产量将提高相同倍数,而纤维含量保持不变.本方法高效可行、精确可控,容易为操作者所掌握,特别适用于指导生产实践.     

提高碳纤维复合材料容器纤维强度发挥率的方法

针对薄壁金属内衬碳纤维复合材料容器,采用网格理论设计和纤维发挥强度经验取值方法易导

致容器实际爆破压力远远高于设计压力,纤维强度实际发挥率高于设计值的结果。本文主要分析其原因并提

出解决途径和设计中的一些方法:一是可按纤维的实际复丝拉伸强度来进行复合材料工艺设计;二是可考虑计

算内衬和树脂基体对容器结构强度的贡献量;三是可对纤维强度性能离散性高的材料进行分类管理;四是可通

过开展等强度包络圈设计方法和封头部位的补强技术研究来改进。应用本文中的方法可以充分发挥复合材料

容器纤维强度,降低成本,提高结构效率。

     

复合材料结构中的纤维路径及连续纤维的均布性

本课题基于对复合材料结构中某一组合单元在指定方向上应具有最大承载能力的要求,提出了纤维路径的概念,并由每层纤维并行排列、连续纤维均布性、纤维面密度值固定的规定,引申出每层纤维的连续性和连续纤维均布性指标,提出了最大铺叠宽度和最小铺叠宽度的工艺参数,并针对一些典型曲面的纤维路径提出了铺叠工艺的实施方法。     

光纤布拉格光栅监测碳纤维复合材料固化成型过程

碳纤维复合材料固化成型时,温度和内应力对成型质量的影响巨大.鉴于碳纤维复合材料厚度通常为几毫米,传统的热电偶和电阻应变片等温度应变传感器由于体积较大,无法实现嵌入式监测.为了获得成型过程中材料内部实时的温度和应变,采用光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器进行监测.试验中使用两个FBG传感器,一个作为温度传感器,另一个作为应变传感器,内嵌于碳纤维预浸料铺层之中,分别用于监测碳纤维复合材料固化过程中内部的温度和应变等参量.试验结果表明,采用两个光纤光栅传感器分别用来监测碳纤维复合材料固化过程中内部温度和应变的变化是可行的.     

全同光纤布拉格光栅单纤复用能力的研究(英文)

本文从理论上研究和分析了一种基于OTDR和TDM技术的新型光纤布拉格光栅复用方法的复用能力。这种方法可以在同一根光纤上复用成百个全同的低反射率布拉格光栅,从而使布拉格光栅传感器在航空航天健康监测领域得到更广泛的应用。分析表明,当布拉格光栅的反射率足够低时,系统的复用能力可以大大提高。因此,基于这种复用方法,可以实现廉价的大规模分布传感系统。在评价这种系统的复用能力时,我们第一次提出应该考虑光栅间多次反射光的干涉效应的影响。     

PBO-C/ E 复合材料的界面及压力容器性能

研究了PBO纤维与T700碳纤维混杂复合材料的界面性能和压力容器性能。采用层间剪切强度测试和吸水率测试研究了不同混杂比对混杂复合材料界面粘接性能和吸水性能的影响。研制了PBO纤维与T700碳纤维混杂复合材料Ф150 mm压力容器,对容器的水压爆破性能和轴压承载性能进行了测试。结果表明:混杂复合材料的层间剪切强度随着混杂比增大逐渐升高,当T700碳纤维含量较低时,混杂复合材料界面粘接性能提高并不明显;混杂复合材料的吸水率介于PBO纤维和T700碳纤维复合材料之间,近似符合"混合定律",界面数对混杂复合材料吸水性影响较大;混杂复合材料Ф150 mm容器的PV/W随着混杂比增大逐渐降低,混杂工艺能够使PBO纤维复合材料容器的轴压承载性能提高31%。     

干涉式光纤陀螺光纤环互易性温变漂移补偿方法

分析了干涉式光纤陀螺光纤环受温度影响产生零漂误差的机理,对于温变环境下的光纤陀螺输出,在传统线性分析手段的基础上,以互易性为主,把光纤环径向内外温度差以及温度变化率的差作为研究对象,建立了新的多项式零漂评估方法.通过对模型不同幂级次的探寻,寻找到变温情况下的最佳拟合系数并进行仿真补偿,实现了陀螺精度的大幅提高,使得最佳零漂降低为原始输出的20.6%.最后,对拟合系数进行陀螺变温实验验证,证实了该新型温度补偿方法的合理性.     

计入纤维交叉影响的缠绕复合材料等效模量计算方法

本文提出一种用于分析纤维缠绕结构（宏观）的等效弹性模量方法，该方法具有较好的准确性。本文首先基于纤维缠绕微观结构的特点建立代表性体积单元（RVE），并在此模型中计人纤维束交织现象的影响，对各个工艺参数（缠绕角、纤维束起伏区、交叉面积）的影响进行了计算分析；然后对经典层合板理论与等效模型计算结果进行了对比，指出经典层合板理论计算存在的误差与纤维束起伏区几何参数具有很大关系；最后利用等效均匀化理论得到缠绕结构的宏观弹性模量，并与试验值进行对比，验证了本计算模型和分析方法的准确性。