[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

摘要

本发明一种切削纤维增强复合材料切屑形成的仿真方法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。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。本发明只需更换相应的材料性能参数即可用于其它复合材料直角切削仿真分析。本方法降低了模型的预测误差，为切削力、表面质量、损伤面积、切屑形成的影响规律提供了一种分析的方法和手段；同时，也为纤增强维复合材料去除机理、损伤成因的研究提供准确、可靠的理论基础。

主权项

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(EHM)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，δeq为等效应力，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：ϵ1ϵ2γ12=11-df00011-dm00011-ds1E1-υ12E10-υ12E11E20001G12σ11σ22τ12---(2)]]>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；df，dm，ds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：Fft=(σ^11XT)2+α(τ^12SL)2---(3)]]>Ffc=(σ^11XC)2---(4)]]>Fmt=(σ^22YT)2+(τ^12SL)2---(5)]]>Fmc=(σ^222ST)2+[(YC2ST)2-1]σ^22YC+(τ^12SL)2---(6)]]>式中，分别为纤维拉伸失效，纤维压缩失效，基体拉伸失效，基体压缩失效；XT，XC，YT，YC分别为纤维方向拉伸强度，纤维压缩强度，基体拉伸强度，基体压缩强度；SL，ST分别为为沿纤维方向剪切强度和垂直于纤维方向剪切强度；分别为纤维方向应力，垂直于纤维方向应力和剪应力；步骤4：分别导入网格工件和刀具，进行装配；刀具与工件尽量靠近，但不能相互侵入；步骤5：定义刀具与工件之间的接触方式，首先定义接触属性，摩擦类型为库伦摩擦，切向接触方式定义为罚接触，摩擦系数为0.4，法向接触方式定义为硬接触；刀具与工件接触类型为面点接触，即选择刀具外表面和工件切削区的节点作为相互接触对；步骤6：给定刀具切削速度，并设置工件边界约束；在设置边界约束时，选择工件底边上所有点，限制其6个方向的自由度，工件即被固定；Ux＝Uy＝Uz＝URx＝URy＝URz＝0式中：Ux，Uy，Uz分别为沿x,y,z方向移动的自由度，URx，URy，URz分别为绕x,y,z转动的自由度；步骤7提交任务，分别提交切屑纤维方向角度θ＝0°，45°，90°，135°四种典型纤维角度的仿真切削结果，从而得到不同纤维角度下切屑形式。