[發明專利]復材分層缺陷在橫刃擠壓階段擴展行為計算方法

有效

• 申請號: 201810039038.8
• 申請日: 2018-01-16
• 公開（公告）號: CN108388691B
• 公開（公告）日: 2020-04-28
• 發明（設計）人: 王福吉;胡海波;張博宇;馬建偉;趙猛
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/17
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 關慧貞

本發明復材分層缺陷在橫刃擠壓階段擴展行為計算方法屬于機械加工技術領域，涉及一種碳纖維復合材料構件內部的成型分層缺陷在鉆削橫刃擠壓階段擴展行為的計算方法。該計算方法將橫刃對缺陷層的擠壓過程簡化為集中載荷作用下的彈性地基梁彎曲過程，并求得梁的彎曲變形控制方程；確定刀具作用位置以及成型分層缺陷大小，根據約束情況及受力特點對缺陷層中的纖維進行區域劃分，利用有限元計算方法及疊加原理，得到整根纖維的整體剛度矩陣；最后，采用向刀具作用點逐步加載方式對成型分層缺陷擴展的臨界條件及擴展長度進行計算。該方法適用于不同加工位置、不同大小形狀成型分層缺陷擴展行為的計算，抑制分層缺陷的擴展，保證最終制孔質量。

技術領域

本發明屬于機械加工技術領域，涉及一種碳纖維復合材料構件內部的成型分層缺陷在鉆削橫刃擠壓階段擴展行為的計算方法，是一種抑制構件內部缺陷在機械加工過程中進一步擴展的方法。

背景技術

碳纖維復合材料承力構件常采用鋪放、固化、加工一體化設計制造，相比于傳統材料構件的制造方式，有效縮短了工藝流程，大幅提高了生產效率。然而，由于碳纖維復合材料的各向異性、層疊成型特征，以及熱壓固化過程中的熱、化學收縮非均勻性，其在成型過程中易產生分層缺陷。碳纖維復合材料構件成型分層缺陷分布具有很大的隨機性，對構件性能有很大影響，若成型分層缺陷在靜態載荷作用下或鉆削過程中發生進一步擴展，構件性能及制孔質量將難以保證。

目前，部分學者們針對碳纖維復合材料成型分層缺陷在靜態載荷下的擴展行為進行了研究，如Pekbey和Sayman等人發表的《A Numerical and ExperimentalInvestigation of Critical Buckling Load of Rectangular Laminated CompositePlates with Strip Delamination》一文在《Journal of Reinforced PlasticsComposites》2006年第25期第685到697頁中，對含帶狀分層損傷的復合材料層合板的臨界屈曲載荷進行了研究，指出了試樣尺寸、鋪層角度及鋪層順序對臨界屈曲載荷均有影響。然而，實際的鉆削過程是在刀具連續進給下的動態過程，其鉆削力大小非恒定且作用點位置隨刀刃的回轉和進給運動發生動態變化，此外由于成型缺陷分布的隨機性，刀具與缺陷的實際作用位置不可控。因此，靜態載荷下對分層擴展行為的研究無法適用于碳纖維復合材料的制孔過程，需對碳纖維復合材料成型缺陷在鉆削加工中的擴展行為進行研究。

發明內容

本發明為解決現有技術的缺陷,有效抑制成型分層缺陷在鉆削過程中的擴展，提高制孔質量，降低復材構件生產成本,針對在鉆削過程中軸向力最大的橫刃擠壓階段缺陷層成型分層缺陷的擴展行為進行分析，發明了復材分層缺陷在橫刃擠壓階段擴展行為計算方法。該計算方法將刀具橫刃對缺陷層的擠壓過程簡化為集中載荷作用下的彈性地基梁彎曲過程，求梁的彎曲變形控制方程；通過確定刀具作用位置以及成型分層缺陷大小，根據約束情況及受力特點對缺陷層中的纖維進行區域劃分，利用有限元計算方法及疊加原理，得到整根纖維的整體剛度矩陣；并采用向刀具作用點逐步加載方式對成型分層缺陷擴展的臨界條件及擴展長度進行計算，能夠適用于不同加工位置下的，不同大小形狀成型分層缺陷擴展行為的計算，抑制分層缺陷的擴展，保證最終制孔質量。

本發明的技術方案是一種復材分層缺陷在橫刃擠壓階段擴展行為計算方法，其特征是，該計算方法將刀具橫刃對缺陷層的擠壓過程簡化為集中載荷作用下的彈性地基梁彎曲過程，并求得梁的彎曲變形控制方程；確定刀具作用位置以及成型分層缺陷大小，根據約束情況及受力特點對缺陷層中的纖維進行區域劃分，利用有限元計算方法及疊加原理，得到整根纖維的整體剛度矩陣；最后，采用向刀具作用點逐步加載方式對成型分層缺陷擴展的臨界條件及擴展長度進行計算。該方法的具體步驟如下：

1)首先確定刀具作用位置及成型分層缺陷大小參數，被加工材料的性能參數；

2)簡化模型