[发明专利]一种切削纤维增强复合材料切屑形成的仿真方法

说明书

技术领域

本发明属于有限元仿真切削领域，涉及一种纤维增强树脂基复合材料切削加工中，切屑形成的有限元仿真方法。

背景技术

纤维增强树脂基复合材料由于其优异的力学性能，如比强度、比模量高，已经广泛应用于航空航天领域，但是由于纤维增强树脂基复合材料构成的复杂性，对其机理的研究还没有统一的理论，加工过程中会出现不同的损伤，这也是大型复合材料承力构件无法在我国大型飞机上得到应用的重要原因之一。因此，揭示纤维增强树脂基复合材料的切屑机理显得非常重要。随着计算机技术的发展，有限元方法已成为一种重要的辅助分析手段。通过建立有限元切削模型，可以模拟材料的切削过程，并在后处理模块中得到切削产生的力，应力，损伤等结果，从而减少实验成本，节约人力。除此之外，有限元模型还可以得到实验难以得到或者无法得到的结果，比如高速切削、损伤分布等。目前针对纤维增强复合材料切削仿真分析，主要是采取等效均质建模方法，该方法不仅可以节省计算时间，而且可以预测切削力、基体损伤以及切屑形成。然而已有方法也有不足之处：只能预测切屑形成位置，不能完整模拟切屑的形成过程，所以，不能实现纤维增强复合材料切削过程的仿真分析，Carlos Santiuste等，发表的《Machining FEM model of long fiber composites for aeronautical components》一文在《Composite Structures》杂志的2010年第3期92卷，第691–698页，建立的切削仿真模型，由于未设定合理的最大刚度退化系数，不能实现切屑的完整形成过程，只能预测切屑形成位置。因此，仿真分析结果很难与实际切削加工吻合，更无法对切削机理的研究提供参考。

发明内容

本发明为了克服现有技术的缺陷，发明一种切削纤维增强复合材料切屑形成的仿真方法，该方法运用有限元仿真技术，通过对工件和刀具进行二维宏观建模，使用虑及损伤的本构关系，并引入最大刚度退化系数，利用Hashin失效准则作为计算材料开始失效的判据，从而得到不同纤维方向工件仿真切削过程中的切屑形式。有效提高纤维增强复合材料切削仿真与切削实验的符合程度，得到切屑形式，实现过程仿真，降低切削力预测误差。

本发明采用的技术方案是一种切削纤维增强复合材料切屑形成的仿真方法，其特征是，仿真方法运用有限元仿真技术，通过对工件和刀具进行二维宏观建模，使用虑及损伤的本构关系，并引入最大刚度退化系数，利用Hashin失效准则作为计算材料开始失效的判据，方法的具体步骤如下：

步骤1：创建几何模型，采用二维等效均质建模方法，工件为二维变形体，且由于不考虑刀具变形，刀具为刚体；

步骤2：运用四面体结构性网格生成方式，并定义单元类型为线性平面应力单元，设置最大刚度退化系数为d_最大：

式中，δ_eq为等效应变，为起始等效应变，为材料破坏应变，取最大刚度退化系数为：d_最大＝0.7。

步骤3：工件材料选为线弹性材料，并采用虑及损伤的本构；失效准则为Hashin失效准则，设定沿纤维方向以及垂直于纤维方向的拉压强度；以断裂能作为最终失效判据，即材料达到设定断裂能，单元失效删除；最终定义纤维方向，分别定义纤维方向角度θ＝0°，45°，90°，135°四种典型纤维角度，完成工件材料定义；

其中，所述的虑及损伤的本构模型为：

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：