CN107239642A - 面向碳纤维增强复合材料钻削的多尺度数值仿真方法 - Google Patents
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Abstract
一种面向碳纤维增强复合材料钻削多尺度数值仿真方法，其特征是：首先，进行基体、纤维细观本构与宏观本构建模。其次，进行宏观损伤判断并输出损伤点的信息。第三，调用Python文件对损伤点进行细观建模分析。第四，利用细观建模分析的数据，计算出该点等效刚度并返回宏观模型。第五，进行多尺度数值仿真系统开发与模型评价。本发明充分的考虑了纤维和基体的区别，以及仿真的精度与效率。给出了碳纤维增强复合材料钻削多尺度数值仿真方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种机械加工技术，尤其是一种钻削仿真方法，具体的说就是一种碳纤维增强复合材料钻削多尺度数值仿真方法。
背景技术
航空航天产品中的CFRP通常需要与其它结构(复合材料、铝合金、钛合金等结构)进行铆接、螺接等机械连接，这就需要在航空航天产品装配过程中对CFRP构件进行大量的钻孔加工操作。由于CFRP是由纤维和基体组成的多相结构，具有非匀质性、各向异性、硬度高等特点，切削加工难度较大，钻削过程中极易出现入口处劈裂、出口处撕裂、毛边、层间分离、径向挤伤、微裂纹等损伤。从而降低机械连接质量，影响产品服役性能。国内外学者围绕CFRP切削力预测、工艺参数优化等方面，通过力学解析、数值模拟和实验观测展开了广泛的研究和探索随着航空航天制造工业对装配质量要求的进一步提高，对钻削损伤控制的要求越来越严格，因而CFRP切削机理、损伤的萌生和扩展规律等需要更进一步深入的研究。而有效的研究方法是对CFRP进行钻削模拟仿真研究。但由于复合材料钻削行为是一个囊括了几何信息、材料属性信息、应力应变场信息的动态变化的复杂系统，解析的方法很难提供令人满意的效果。并存在以下问题：
(1)采用单相均质材料等效CFRP，对于其中某一特定材料点而言，忽略了纤维和基体的区别，因此导致一些本该用纤维性质计算的单元被更弱的基体性质代替，从而提前失效；
(2)精度和效率难以达到让人满意的结果。
发明内容
本发明的目的是针对CFRP进行钻削模拟仿真中材料提前失效，精度效率不高的问题，发明一种面向碳纤维增强复合材料钻削多尺度数值仿真方法，它充分的考虑了纤维和基体的区别，以及仿真的精度与效率。给出了碳纤维增强复合材料钻削多尺度数值仿真方法。
本发明的技术方案是：
一种面向碳纤维增强复合材料钻削多尺度数值仿真方法，其特征是它包括以下步骤？
首先，进行基体、纤维细观本构与宏观本构建模；
其次，进行宏观损伤判断并输出损伤点的信息；
第三，调用Python文件对损伤点进行细观建模分析；
第四，利用细观建模分析的数据，计算出该点等效刚度并返回宏观模型；
具体步骤如下：
首先，进行基体、纤维等细观本构开发与建模；先通过对碳纤维增强复合材料的实验，采集并计算出碳纤维增强复合材料的在应力单元体中的X,Y,Z方向上的拉伸(压缩)极限应力和XY,XZ,YZ平面上的极限剪应力即(其中纤维方向与σx即应力单元体中X方向所受应力同向)，以及X,Y,Z方向上的杨氏模量Ex,Ey,Ez、XY,XZ,YZ平面上的剪切模量、泊松比Gxy,Gxz,Gyz,νxy,νxz,νyz。利用上述数据和失效准则建立失效模型。通过更新的方式，把每一个积分点的相应数据代入失效模型进行失效判断。进而更新刚度矩阵，并代入应力更新函数。具体流程见说明书附图。
其次，进行宏观损伤判断并输出损伤点的信息；当碳纤维增强复合材料板受到钻削力作用时，通过Hashin失效准则来进行失效判断。若失效，则通过Abaqus的子程序vumat将失效点的信息输出到txt格式文件中。
第三，调用Python文件对损伤点进行细观建模分析；通过编写相应的Python程序，先读取上一步骤中输出的txt格式文件，获得损伤点的信息。然后，对损伤点进行再次建模，加大布种密度，将损伤点模型网格细化。而后，把读取到的损伤点信息以边界条件的形式施加到损伤点模型上。最后，启动分析。获得损伤点模型的数据，并输出到txt格式文件中。
第四，利用细观建模分析的数据，计算出该点等效刚度并返回宏观模型；由损伤点模型获得的应力数据，输入刚度退化模型中。刚度折减由以下公式求得：
其中λ为参数，通常取0.6。Ef、Em分别为纤维和基体的弹性模量，Vf、Vm分别为纤维和基体的体积含量。Df为碳纤维失效概率，可由以下公式求得：
其中σ0为对应测试跨距下尺度参数，σ为损伤点模型获得的应力数据，m为纤维的形状参数。σ0、m由实验测得。
通过上述步骤完成对损伤点的刚度折减。而后，将损伤点折减后的刚度返回到宏观模型中。在宏观模型的钻削过程中，同时进行细观与宏观分析并删除折减刚度为零的点，得到分析结果。
本发明的有益效果是：
本发明充分的考虑了纤维和基体的区别，以及仿真的精度与效率。给出了碳纤维增强复合材料钻削多尺度数值仿真方法。
本发明具有精度高，速度快的优点。
附图说明
图1是本发明的基体、纤维细观本构与宏观本构的建模流程。
图2是本发明的单层板钻削多尺度数值仿真结果图。
图3是本发明的单层板钻削多尺度数值仿真方法与普通仿真方法时间对比。
具体实施方式
下面结合实例对本发明进行进一步说明。
一种面向碳纤维增强复合材料钻削的多尺度数值仿真方法，它包括以下步骤：
首先，进行基体、纤维等细观本构与宏观本构建模。以T700碳纤维增强复合材料单层单向(0°)板为例。通过实验获得其纵向拉伸极限强度1830.7MPa，纵向极限压缩强度895.16MPa，横向拉伸极限31.31MPa，横向压缩极限124.54MPa，纵向杨氏模量99.22GPa，横向杨氏模量7.05GPa。将材料分为无限小应力单元体，根据经典材料力学理论计算出X,Y,Z方向上的拉伸(压缩)极限应力和XY,XZ,YZ平面上的极限剪应力。引入Hashin失效准则：
当纤维受拉时：
当RFT值大于1时，纤维拉伸失效。
当纤维受压时：
当RFC值大于1时，纤维压缩失效。
当基体受拉时：
当RMT大于1时，基体拉伸失效
当基体受压时：
当RMC大于1时，基体压缩失效。
通过更新的方式，把每一个积分点的相应数据代入上述准则，进行失效判断。进而更新刚度矩阵，并代入应力更新函数。具体流程见附图1。
其次，进行宏观损伤判断并输出损伤点的信息；当碳纤维增强复合材料板受到钻削力作用时，通过Hashin失效准则来进行失效判断。若失效，则通过Abaqus的子程序vumat将失效点的信息输出到txt格式文件中。
第三，调用Python文件对损伤点进行细观建模分析；通过编写相应的Python程序，先读取上一步骤中输出的txt格式文件，获得损伤点的信息。然后，对损伤点进行再次建模，加大布种密度，将损伤点模型网格细化。而后，把读取到的损伤点信息以边界条件的形式施加到损伤点模型上。最后，启动分析。获得损伤点模型的数据，并输出到txt格式文件中。
第四，利用细观建模分析的数据和T700碳纤维的尺度参数3.03GPa，形状参数6.54m，计算出该点等效刚度并返回宏观模型；由损伤点模型获得的应力数据，输入刚度退化模型中。刚度折减由以下公式求得：
计算碳纤维失效概率：
计算折减刚度：
通过上述步骤完成对损伤点的刚度折减。而后，将损伤点折减后的刚度返回到宏观模型中。在宏观模型的钻削过程中，同时进行细观与宏观分析并删除折减刚度为零的点，得到分析结果。
计算结果如图2所示。仿真时间对比如图3所示。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (2)
1.一种面向碳纤维增强复合材料钻削的多尺度数值仿真方法，其特征是：
首先，对基体和纤维进行细观本构与宏观本构建模；
其次，进行宏观损伤判断并输出损伤点的信息；
第三，调用Python文件对损伤点进行细观建模分析；
第四，利用细观建模分析的数据，计算出损伤点等效刚度并返回宏观模型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是它包括以下具体步骤：
首先，进行基体、纤维细观本构建模；先通过对碳纤维增强复合材料的实验，采集并计算出碳纤维增强复合材料的在应力单元体中的X,Y,Z方向上的拉伸或(压缩)极限应力和XY,XZ,YZ平面上的极限剪应力即以及X,Y,Z方向上的杨氏模量Ex,Ey,Ez、XY,XZ,YZ平面上的剪切模量、泊松比Gxy,Gxz,Gyz,νxy,νxz,νyz；其中纤维方向与σx即应力单元体中X方向所受应力同向，利用上述数据和失效准则建立失效模型；通过更新的方式，把每一个积分点的相应数据代入失效模型进行失效判断；进而更新刚度矩阵，并代入应力更新函数；
其次，进行宏观损伤判断并输出损伤点的信息；当碳纤维增强复合材料板受到钻削力作用时，通过上一步骤中准则来进行失效判断；若失效，则通过Abaqus的子程序vumat将失效点的信息输出到txt格式文件中；
第三，调用Python文件对损伤点进行细观建模分析；通过相应的Python程序，先读取上一步骤中输出的txt格式文件，获得损伤点的信息；然后，对损伤点进行再次建模，加大布种密度，将损伤点模型网格细化；而后，把读取到的损伤点信息以边界条件的形式施加到损伤点模型上；最后，启动分析，获得损伤点模型的数据，并输出到txt格式文件中；
第四，利用细观建模分析的数据，计算出损伤点等效刚度并返回宏观模型；由损伤点模型获得的应力数据，输入刚度退化模型中；刚度折减由以下公式求得：
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其中λ为参数，通常取0.6。Ef、Em分别为纤维和基体的弹性模量，Vf、Vm分别为纤维和基体的体积含量；Df为碳纤维失效概率，由以下公式求得：
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</mrow>
</mrow>
其中σ0为对应测试跨距下尺度参数，σ为损伤点模型获得的应力数据，m为纤维的形状参数。σ0、m由实验测得；
通过上述步骤完成对损伤点的刚度折减；而后，将损伤点折减后的刚度返回到宏观模型中，在宏观模型的钻削过程中，同时进行细观与宏观分析并删除折减刚度为零的点，得到分析结果。
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