[发明专利]一种复合材料层合板钻削毛刺损伤的模拟方法

摘要

本发明一种复合材料层合板钻削毛刺损伤的模拟方法属于复合材料钻削仿真领域，涉及一种基于有限元仿真的复合材料层合板钻削毛刺损伤的模拟方法。该方法考虑了钻削复合材料时刀具对纤维和树脂的作用，基于ABAQUS有限元仿真计算软件，建立了包含纤维相和树脂相等的复合材料层合板的钻削仿真模型。模型分别设置了不同组成相的材料力学行为，并合理的定义了边界条件、接触方式和网格单元类型等参数。通过对仿真模型的计算，实现了复合材料层合板钻削的毛刺损伤形成过程的模拟，获得了钻削后的毛刺损伤情况。利用该方法能够实现对复合材料层合板钻削毛刺损伤的分析，适合于指导毛刺损伤的抑制。

主权项

一种复合材料层合板钻削毛刺损伤的模拟方法，其特征是，该方法运用有限元仿真技术，建立了包含不同组成相的复合材料层合板的钻削仿真模型；所建模型依据实际约束情况，所确定的钻头进给速度和和旋转方向，以及复合材料的各向异性和层叠特性，钻削时刀具对纤维和树脂的切削作用，模型不仅包括基于等效均质假设的宏观部分，还包括纤维相和树脂相，即细观部分；不同材料组成相应用不同的材料力学行为，并采用不同的最大刚度退化和沙漏控制；通过简化模型结构并优化网格划分提高了模型的计算效率；通过计算该仿真模型，模拟了复合材料层合板钻削的毛刺损伤；具体步骤如下：步骤1：分别创建复合材料工件宏观部分和细观部分的几何模型，两部分设置为三维变形体；复合材料工件层合板包含纤维方向为90°和45°的两个铺层，其中，第一层的上层是90°铺层的环形宏观零件(2)，厚度为D1；第一层的下层由90°铺层的3/4环形宏观零件(3)和90°铺层的1/4环形细观零件(4)组成，厚度为D2，并且90°铺层的1/4环形细观零件(4)由纤维相集合(a)和树脂相集合(b)构成；第二层的上层是45°铺层的环形宏观零件(5)，厚度为D1；第二层的下层由特殊形状的45°铺层的宏观零件(6)和特殊形状的45°的细观零件(7)组成，并且45°铺层的环形细观零件(7)由纤维相集合(a)和树脂相集合(b)构成；两个铺层都要保证宏观部分和细观部分几何关系匹配；步骤2：导入所使用钻头(1)的几何模型，将钻头(1)钻尖处的旋转中心设置为参考点；步骤3：分别为工件和钻头创建网格，其中，钻头(1)采用自由方式生成为四面体网格，单元类型为四节点线性四面体单元，不设置单元删除；宏观部分采用扫略方式生成为六面体网格，单元类型为八节点线性六面体减缩积分单元，设置单元删除；细观部分采用扫略方式生成为六面体网格，并将其中一部分设置为纤维相集合，另一部分为树脂相集合，纤维相和树脂相的单元类型同为八节点线性六面体减缩积分单元，设置单元删除，但根据二者不同的材料特性及与刀具的不同作用关系，分别设置不同的最大刚度退化和沙漏控制；另外，由于非切削区不参与切削，所以工件网格的密度由靠近切削区向远离切削区逐级递减，从而保证计算效率；步骤4：赋予不同部分相应的材料属性；由于宏观部分和纤维相表现正交各向异性特性，因此，赋予二者在纤维方向、垂直于纤维方向和厚度方向不同的材料特性；假设宏观部分和纤维相在失效之前具有线弹性材料行为，应力σi、应变εj关系如公式(1)所示：σi＝Cijεj   (1)二者的失效起始判据基于3D Hashin失效判据，包含不同的失效模式；当失效因子F达到1时，即认为开始了相应模式的失效，随之出现损伤；3D Hashin判据在不同失效模式下的判据如式(2)‑(7)；沿纤维方向拉伸失效：Fft2=(ϵ1ϵ1tf)2+(γ12γ12f)2+(γ13γ13f)2---(2)]]>沿纤维方向压缩失效：Ffc2=(ϵ1ϵ1cf)2---(3)]]>垂直于纤维方向拉伸失效：Fmt2=(ϵ2+ϵ3ϵ2tf)2-ϵ2ϵ3(γ23f)2+(γ12γ12f)2+(γ13γ13f)2+(γ23γ23f)2---(4)]]>垂直于纤维方向压缩失效：Fmc2=((ϵ2+ϵ3)ϵ2cf)[(ϵ2cf2γ23f)2-1]+(12γ23f)(ϵ2+ϵ3)2+(1γ23f)2(γ232-ϵ22ϵ33)+(γ13γ13f)2+(γ23γ23f)2---(5)]]>拉伸分层失效：Fdt2=(ϵ3ϵ3tf)2+(γ13γ13f)2+(γ23γ23f)2---(6)]]>剪切分层失效：Fdc2=(γ13γ13f)2+(γ23γ23f)2---(7)]]>式中，下标m和f分别表示树脂和纤维，下标t和c分别表示拉伸和压缩失效；ε和γ分别为正向和切向应变，二者带有上标f时代表失效时的应变，下标1、2和3分别代表材料的纤维方向，垂直于纤维方向和厚度方向；失效应变由如下公式(8)计算：ϵ1tf=Xt/E1ϵ1cf=Xc/E1ϵ2tf=Yt/E2ϵ2cf=Yc/E2ϵ3tf=Zt/E3γijf=Sij/Gij,(i,j=1,2,3)---(8)]]>式中，Xt为沿纤维方向拉伸强度，Xc为沿纤维方向压缩强度，Yt为垂直于纤维方向拉伸强度，Yc为垂直于纤维方向压缩强度，Zt为沿厚度方向拉伸强度，i,j可以取1、2或3分别代表材料的三个方向，Sij为在i‑j平面内的剪切强度，Ei为各材料方向上的弹性模量，Gij为在i‑j平面内的剪切模量；当满足上述失效起始判据时，通过单元刚度折减以反映材料特性衰退；采用指数型渐进损伤对刚度折减过程进行控制；即当满足失效起始判据后，损伤开始出现并累积，损伤因子d从0开始增大，当d接近1时认为工件单元的刚度退化到0，单元不再具有承载能力并被删除；不同材料方向的损伤因子d由下式(9)确定：dfi=1-e-Xiϵ1if(Ffi-1)Lc/Gfi/Ffidmi=1-e-Yiϵ2if(Fmi-1)Lc/Gmi/Fmiddi=1-e-Ziϵ3if(Fdi-1)Lc/Gdi/Fdi---(9)]]>式中，Lc为单元的特征长度，dfi、dmi和ddi分别为材料三个方向受压或受拉时的损伤因子；Ffi、Fmi和Fdi分别为按照公式(2‑7)算得的不同失效模式下的失效因子；Gfi、Gmi和Gdi分别为材料三个方向上受压或受拉的断裂能；i值根据材料受拉或受压分别赋值为t或c；该损伤演化准则基于材料断裂能G并引入单元特征长度Lc，尽量保证单元损伤演化渐进连续，并减小网格密度对结果精度的影响；工件中的树脂相表现各向同性特性；假设树脂材料失效前具有弹塑性材料行为，其中塑性行为使用各向同性塑性硬化；树脂的力学行为包括材料未失效时的弹塑性行为、失效起始和损伤演化；采用如公式(4)所表达的剪切失效准则作为失效起始判据，单元通过应变大小判断是否开始失效：ωS=∫dϵ‾p1ϵ‾Sp1(θS,ϵ‾·p1)=1---(10)]]>式中，ωs为损伤变量，为等效塑性应变，为等效塑性应变率，是剪切应力比和应变率的函数，θS＝(q+ksp)/τmax为剪切应力比，q为米塞斯等效应力，p为压缩应力，ks为特定材料参数，τmax为最大剪切应力；当满足失效起始判据后，树脂相采用线性渐进损伤对刚度折减过程进行控制；同时，模型保证树脂相损伤演化时的能量消散等于单位面积上的断裂能；线性损伤演化的损伤因子由下式(11)确定：d·=Lϵ‾·p1u‾fp1=u‾·p1u‾fp1---(11)]]>其中，失效时的等效塑性变形为：u‾fp1=2Gfσy0---(12)]]>式中，σy0为失效起始时的应力，Gf为单位面积的断裂能；上述材料力学行为通过用户子程序进行定义，计算过程中的单元删除也通过子程序中定义的状态参量控制；不同材料相的具体材料参数由定义的截面属性赋予；最后，需要按照纤维铺放方向为宏观部分和纤维相定义材料方向；步骤5：分别导入钻头和工件宏观部分、细观部分的零件，将各部分零件组合成完整的复合材料工件；将钻头放置在工件几何中心的正上方，使二者尽量靠近，但不能侵入；步骤6：设置动态显式分析步进行仿真分析，在场输出请求管理器和历史输出请求管理器中分别定义所需输出变量；步骤7：定义钻头与工件及相互之间的约束与接触方式；首先，由于模拟计算过程中不考虑刀具变形及失效，故将钻头约束为解析刚体；其次，将工件的各部分通过绑定约束固定在一起；之后，定义钻头与工件之间为面点接触，接触属性中法向接触定义为硬接触，切向接触定义为罚摩擦；最后，为了避免计算过程中发生侵入，在模型所有接触对之间定义通用接触；步骤8：定义模型的边界条件；首先，在上述定义的钻头参考点上定义钻头的进给速度和主轴转速；其次，限制工件非切削区外围节点所有方向的自由度以固定工件；步骤9：提交任务，进行仿真计算，从而实现复合材料层合板钻削毛刺损伤的模拟。