[發明專利]碳纖維增強復合材料銑削力預測模型的建立方法

有效

• 申請號: 201610682150.4
• 申請日: 2016-08-18
• 公開（公告）號: CN106326647B
• 公開（公告）日: 2018-08-21
• 發明（設計）人: 王福吉;畢廣健;賈振元;宿友亮;馬建偉;朱浩杰
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 關慧貞

1.一種碳纖維增強復合材料銑削力預測模型的建立方法，其特征在于，該方法先獲取銑削力系數數據，然后創建和訓練BP神經網絡模型，分析非同向層合效應對多向層合板中單向層銑削力的影響，將90°和135°鋪層的鋪層狀態分為單側異向支撐和雙側異向支撐兩種，并進行工藝實驗獲得對應的修正系數，進而得到CFRP多向板不同鋪層方式的銑削力預測模型；方法的具體步驟如下：

第一步，獲取銑削力系數數據

對碳纖維增強復合材料單向板進行銑削實驗，加工方式為側銑加工，獲得不同參數下的銑削力數據，根據銑削力時域曲線與切削過程的對應的關系，計算得到纖維切削角，瞬時切削面積、切削速度所對應的銑削力系數數據；

設刀刃的瞬時切削厚度a_c為：

其中，f_z為銑削過程中的每齒進給量，為刀齒旋轉角；

在逆銑過程中，測力儀所采出的切削力信號為沿進給方向的銑削力F_x和垂直于進給方向的銑削力F_y，為將其轉化為沿切削速度方向的力F_c和垂直于切削速度方向的力F_t，進行坐標變換，坐標變換的公式為：

將刀具沿刀刃方向分割為若干個微元，每個微元上在某一時刻對工件微元進行切削，此時的纖維切削角、瞬時切削厚度、切削速度被定量表述，假設此時的切削力與切削面積的大小成線性比例關系，最后將各個時刻的切削力進行積分即可得到最終的銑削力，計算公式為：

其中，K_c、K_t是沿切削速度方向的銑削力系數和垂直于切削速度方向的銑削力系數，dA_c是微元上瞬時切削面積，即這一時刻未變形切屑的橫截面積；在銑削加工過程中，切削刀具做擺線運動，同時隨著刀具的運動，瞬時切削厚度a_c不斷發生變化，軸向切削厚度a_p用式(1)來計算，整體瞬時切削面積為：

則：

銑削試驗中測力儀所使用的采樣頻率為f＝20000HZ，因此對應的采樣間隔時間T_r為：

因此一個單齒切削周期T_s內可以獲得采樣點的數量m是：

記第k,k＝1,2,3,4,5…,m個采樣點對應的刀齒旋轉角為：

則第k個采樣點對應的纖維切削角θ_k為：

ψ為纖維方向角；

第k個采樣點對應的瞬時切削厚度a_ck為：

第k個采樣點對應的瞬時切削面積A_ck為：

第二步，使用BP神經網絡預測銑削力系數：基于已獲得的銑削力系數數據源，首先對其進行歸一化處理，方法如下式所示

其中,為歸一化處理后的數值，x為原始輸入數值；

創建BP神經網絡輸入層的神經元數量為3，分別為纖維切削角、瞬時切削面積、切削速度，隱藏層的神經元數量為18，輸出層的神經元數量為2，分別為沿切削速度方向的銑削力系數和垂直于切削速度方向的銑削力系數，傳遞函數均采用S型正切函數Tansig(x)：

對BP神經網絡進行訓練，然后利用獲得數據樣本對BP神經網絡模型進行訓練，數據樣本分為80％訓練樣本，10％確認樣本和10％測試樣本，訓練函數采用基于Levenberg-Marquadt反傳算法的TRAINLM，適應型學習函數采用具動量的梯度下降法LEARNGD；

通過上述步驟可以獲得對寬范圍切削參數下銑削力系數預測值的BP神經網絡模型；

第三步，由于非同向層合效應對多向層合板中單向層銑削力的影響，將90°和135°鋪層的鋪層狀態分為單側意向支撐和雙側異向支撐兩種，并進行工藝實驗獲得對應的修正系數，進而得到CFRP多向板不同鋪層方式的銑削力預測模型；

利用式(2)和(5)計算纖維方向角是0°、45°、90°、135°的纖維鋪層銑削力沿進給方向的銑削力分量F_x0F_x45F_x90F_x135，和垂直于進給方向的銑削力分量F_y0、F_y45、F_y90、F_y135；CFRP多向板的銑削力計算公式為：

其中，m1、n1分別是纖維方向角是0°、45°的單向鋪層的數量，p₁是單側異向鋪層支撐的90°纖維方向鋪層的層數，p₂是雙側異向鋪層支撐的90°纖維方向鋪層的層數，q₁是單側異向鋪層支撐的135°纖維方向鋪層的層數，q₂是雙側異向鋪層支撐的135°纖維方向鋪層的層數，l'_1x和l”_1x分別為90°纖維方向鋪層的單側異向支撐和雙側異向支撐的修正系數，l'_2x和l”_2x分別為135°纖維方向鋪層的單側異向支撐和雙側異向支撐的修正系數，F_x和F_y是CFRP多向層合板的銑削力沿進給方向的銑削力和沿垂直于進給方向的銑削力；

對修正系數進行擬合，使用與CFRP單向板試驗相同的加工方式和加工參數對CFRP多向層合板進行銑削工藝實驗，取切削周期段0.2T_s-T_S銑削力數據的平均值作為擬合數據，使用最小二乘法，以方差最小為目標，對實驗結果數據進行處理，最終獲得修正系數的具體值。