[發明專利]一種復合材料層合板鉆削毛刺損傷的模擬方法

有效

• 申請號: 201710319919.0
• 申請日: 2017-05-11
• 公開（公告）號: CN107273567B
• 公開（公告）日: 2020-04-28
• 發明（設計）人: 王福吉;王小楠;賈振元;馬建偉;付饒
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F113/26
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 關慧貞

1.一種復合材料層合板鉆削毛刺損傷的模擬方法，其特征是，該方法運用有限元仿真技術，建立了包含不同組成相的復合材料層合板的鉆削仿真模型；所建模型依據實際約束情況，所確定的鉆頭進給速度和和旋轉方向，以及復合材料的各向異性和層疊特性，鉆削時刀具對纖維和樹脂的切削作用，模型不僅包括基于等效均質假設的宏觀部分，還包括纖維相和樹脂相，即細觀部分；不同材料組成相應用不同的材料力學行為，并采用不同的最大剛度退化和沙漏控制；通過簡化模型結構并優化網格劃分提高了模型的計算效率；通過計算該仿真模型，模擬了復合材料層合板鉆削的毛刺損傷；具體步驟如下：

步驟1：分別創建復合材料工件宏觀部分和細觀部分的幾何模型，兩部分設置為三維變形體；復合材料工件層合板包含纖維方向為90°和45°的兩個鋪層，其中，第一層的上層是90°鋪層的環形宏觀零件(2)，厚度為D1；第一層的下層由90°鋪層的3/4環形宏觀零件(3)和90°鋪層的1/4環形細觀零件(4)組成，厚度為D2，并且90°鋪層的1/4環形細觀零件(4)由纖維相集合(a)和樹脂相集合(b)構成；第二層的上層是45°鋪層的環形宏觀零件(5)，厚度為D1；第二層的下層由45°鋪層的宏觀零件(6)和45°鋪層的細觀零件(7)組成，所述45°鋪層的宏觀零件(6)為端部設置三角形凹槽的3/4環形；所述45°鋪層的細觀零件(7)為端部設置凸起的1/4環形，并且45°鋪層的細觀零件(7)由纖維相集合(a)和樹脂相集合(b)構成；兩個鋪層都要保證宏觀部分和細觀部分幾何關系匹配；

步驟2：導入所使用鉆頭(1)的幾何模型，將鉆頭(1)鉆尖處的旋轉中心設置為參考點；

步驟3：分別為工件和鉆頭創建網格，其中，鉆頭(1)采用自由方式生成為四面體網格，單元類型為四節點線性四面體單元，不設置單元刪除；宏觀部分采用掃略方式生成為六面體網格，單元類型為八節點線性六面體減縮積分單元，設置單元刪除；細觀部分采用掃略方式生成為六面體網格，并將其中一部分設置為纖維相集合，另一部分為樹脂相集合，纖維相和樹脂相的單元類型同為八節點線性六面體減縮積分單元，設置單元刪除，但根據二者不同的材料特性及與刀具的不同作用關系，分別設置不同的最大剛度退化和沙漏控制；另外，由于非切削區不參與切削，所以工件網格的密度由靠近切削區向遠離切削區逐級遞減，從而保證計算效率；

步驟4：賦予不同部分相應的材料屬性；

由于宏觀部分和纖維相表現正交各向異性特性，因此，賦予二者在纖維方向、垂直于纖維方向和厚度方向不同的材料特性；假設宏觀部分和纖維相在失效之前具有線彈性材料行為，應力σ_i、應變ε_j關系如公式(1)所示：

σ_i＝C_ijε_j (1)

二者的失效起始判據基于3D Hashin失效判據，包含不同的失效模式；當失效因子F達到1時，即認為開始了相應模式的失效，隨之出現損傷；3D Hashin判據在不同失效模式下的判據如式(2)-(7)；

沿纖維方向拉伸失效：

沿纖維方向壓縮失效：

垂直于纖維方向拉伸失效：

垂直于纖維方向壓縮失效：

拉伸分層失效：

剪切分層失效：

式中，下標m和f分別表示樹脂和纖維，下標t和c分別表示拉伸和壓縮失效；ε和γ分別為正向和切向應變，二者帶有上標f時代表失效時的應變，下標1、2和3分別代表材料的纖維方向，垂直于纖維方向和厚度方向；失效應變由如下公式(8)計算：

式中，X_t為沿纖維方向拉伸強度，X_c為沿纖維方向壓縮強度，Y_t為垂直于纖維方向拉伸強度，Y_c為垂直于纖維方向壓縮強度，Z_t為沿厚度方向拉伸強度，i,j可以取1、2或3分別代表材料的三個方向，S_ij為在i-j平面內的剪切強度，E_i為各材料方向上的彈性模量，G_ij為在i-j平面內的剪切模量；

當滿足上述失效起始判據時，通過單元剛度折減以反映材料特性衰退；采用指數型漸進損傷對剛度折減過程進行控制；即當滿足失效起始判據后，損傷開始出現并累積，損傷因子d從0開始增大，當d接近1時認為工件單元的剛度退化到0，單元不再具有承載能力并被刪除；不同材料方向的損傷因子d由下式(9)確定：

式中，L^c為單元的特征長度，d_fi、d_mi和d_di分別為材料三個方向受壓或受拉時的損傷因子；F_fi、F_mi和F_di分別為按照公式(2)-(7)算得的不同失效模式下的失效因子；G_fi、G_mi和G_di分別為材料三個方向上受壓或受拉的斷裂能；i值根據材料受拉或受壓分別賦值為t或c；該損傷演化準則基于材料斷裂能G并引入單元特征長度L^c，盡量保證單元損傷演化漸進連續，并減小網格密度對結果精度的影響；

工件中的樹脂相表現各向同性特性；假設樹脂材料失效前具有彈塑性材料行為，其中塑性行為使用各向同性塑性硬化；樹脂的力學行為包括材料未失效時的彈塑性行為、失效起始和損傷演化；

采用如公式(4)所表達的剪切失效準則作為失效起始判據，單元通過應變大小判斷是否開始失效：

式中，ω_s為損傷變量，為等效塑性應變，為等效塑性應變率，是剪切應力比和應變率的函數，θ_S＝(q+k_sp)/τ_max為剪切應力比，q為米塞斯等效應力，p為壓縮應力，k_s為特定材料參數，τ_max為最大剪切應力；

當滿足失效起始判據后，樹脂相采用線性漸進損傷對剛度折減過程進行控制；同時，模型保證樹脂相損傷演化時的能量消散等于單位面積上的斷裂能；線性損傷演化的損傷因子由下式(11)確定：

其中，失效時的等效塑性變形為：

式中，σ_y0為失效起始時的應力，G_f為單位面積的斷裂能；

上述材料力學行為通過用戶子程序進行定義，計算過程中的單元刪除也通過子程序中定義的狀態參量控制；不同材料相的具體材料參數由定義的截面屬性賦予；最后，需要按照纖維鋪放方向為宏觀部分和纖維相定義材料方向；

步驟5：分別導入鉆頭和工件宏觀部分、細觀部分的零件，將各部分零件組合成完整的復合材料工件；將鉆頭放置在工件幾何中心的正上方，使二者盡量靠近，但不能侵入；

步驟6：設置動態顯式分析步進行仿真分析，在場輸出請求管理器和歷史輸出請求管理器中分別定義所需輸出變量；

步驟7：定義鉆頭與工件及相互之間的約束與接觸方式；首先，由于模擬計算過程中不考慮刀具變形及失效，故將鉆頭約束為解析剛體；其次，將工件的各部分通過綁定約束固定在一起；之后，定義鉆頭與工件之間為面點接觸，接觸屬性中法向接觸定義為硬接觸，切向接觸定義為罰摩擦；最后，為了避免計算過程中發生侵入，在模型所有接觸對之間定義通用接觸；

步驟8：定義模型的邊界條件；首先，在上述定義的鉆頭參考點上定義鉆頭的進給速度和主軸轉速；其次，限制工件非切削區外圍節點所有方向的自由度以固定工件；

步驟9：提交任務，進行仿真計算，從而實現復合材料層合板鉆削毛刺損傷的模擬。