一种复合材料层合板钻削毛刺损伤的模拟方法与流程

本发明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。

背景技术：

复合材料以其比强度、比模量高的特点，被广泛应用于航空航天领域。然而，由于复合材料在细观上包含纤维相和树脂相，纤维相强度较高不易去除；在宏观上呈现各向异性和层叠特性，层间结合强度较低。因此，在钻削复合材料工件过程中经常容易出现毛刺、撕裂、分层等损伤。这些损伤容易造成较大的装配误差，严重缩短了工件的使用寿命。所以，必须深入研究复合材料的钻削过程，分析钻削导致的毛刺、撕裂、分层等损伤的形成以指导损伤的抑制。通过实验方法进行上述研究，不仅材料和时间的成本高，钻削过程中产生的切屑也容易对人体造成伤害。另外，研究毛刺、撕裂需要从细观尺度在线观测，现有实验条件难以满足。

而有限元仿真是研究复合材料钻削导致的损伤的有效方法。首先，通过改变仿真模型的参数便可以获得不同加工条件下钻削导致的损伤情况，研究成本较低。其次，仿真计算的结果极易观测，便于从不同尺度上研究复合材料工件钻削导致的损伤。但是，为了实现复合材料层合板钻削的有效模拟，必须同时保证仿真模型的准确性和高效性。其中，模型的边界条件和约束的设置必须反映实际的钻削过程；为了实现复合材料的连续切削去除，必须为工件定义完整的材料力学行为，包括材料本构关系、失效起始判据和损伤演化准则，且上述材料力学行为必须真实反映复合材料的特性；同时还要选择一定的网格划分方式和仿真算法保证仿真模型的计算效率，以在有限时间内模拟复合材料的钻削。

近年来，学者针对复合材料钻削损伤的模拟进行了较为丰富的研究，主要利用基于等效均质假设，即ehm的宏观钻削仿真模型进行。2013年isbilir等在《compositestructures》杂志发表的“numericalinvestigationoftheeffectsofdrillgeometryondrillinginduceddelaminationofcarbonfiberreinforcedcomposites”基于hashin失效准则和cohesive单元建立了复合材料的宏观钻削仿真模型，并利用该模型模拟了复合材料钻削时的分层损伤。2016年feito等在《compositestructures》杂志发表的“numericalanalysisoftheinfluenceoftoolwearandspecialcuttinggeometrywhendrillingwovencfrps”同时建立了复合材料的顶出和钻削仿真模型。其中，顶出模型简化了刀具运动，只考虑刀具进给时对工件的顶压作用，没有考虑刀具旋转；钻削模型则同时考虑了钻削时刀具的进给和旋转。该研究利用顶出模型分析了轴向力、底部约束和层叠顺序对分层损伤的影响；利用钻削模型分析了刀具结构、刀具磨损状态和加工参数对分层损伤的影响，能够指导分层损伤的抑制。但上述模型都将复合材料的每一铺层等效为宏观尺度的均质材料，主要考虑钻削时刀具对工件层间界面的作用，研究了钻削导致的分层损伤；而没有从细观尺度上考虑钻削时刀具对纤维和树脂的作用，无法实现对毛刺、撕裂等损伤的模拟，更难以抑制钻削引发的毛刺损伤。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术缺陷，发明一种复合材料层合板钻削毛刺损伤的模拟方法，该方法针对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毛刺损伤的模拟。

本发明采用的技术方案是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；所建模型依据钻头的进给速度和旋转方向，并按照实际约束情况固定工件以反映实际钻削过程；同时，为了真实反映复合材料的各向异性和层叠特性以及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模型的计算效率；最后，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，厚度为d2；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：导入所使用钻头的几何模型，将钻头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；

其中，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3dhashin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；3dhashin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：

沿纤维方向压缩失效：

垂直于纤维方向拉伸失效：

垂直于纤维方向压缩失效：

拉伸分层失效：

剪切分层失效：

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：

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：

式中，l^c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l^c，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：

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：

其中，失效时的等效塑性变形为：

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。

本发明的有益效果是从细观尺度上考虑了钻削复合材料过程中钻头对纤维相和树脂相的作用，建立了包含纤维相和树脂相等不同组成相的复合材料层合板的钻削仿真模型。所建模型不同相材料力学行为的设置完全反映纤维相、树脂相的材料特性，定义的边界条件、刀具-工件接触方式和网格单元类型等也与实际钻削过程相符合。通过计算该仿真模型，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。

附图说明

图1为复合材料层合板钻削模型爆炸图，1-麻花钻，2-90°铺层的环形宏观零件，3-90°铺层的3/4环形宏观零件，4-90°铺层的1/4环形细观零件，5-45°铺层的环形宏观零件，6-45°铺层的宏观零件，7-45°铺层的细观零件，s-刀具旋转，f-刀具进给，a-纤维相集合，b-树脂相集合。

图2为宏观部分和纤维相的材料力学行为，横坐标为应变大小，纵坐标为应力大小，ab段为失效前的材料本构，bc段为损伤

演化，d为损伤因子。

图3为树脂相的材料力学行为，横坐标为应变大小，纵坐标为应力大小，ab段为失效前的材料本构，bc段为损伤演化，为失效时的塑性应变，σ0为塑性应变起始时的应力。

图4为钻削后45°铺层下层的宏观零件6和45°铺层的细观零件7组合的仰视图，其中，8-所模拟的毛刺。

图5为钻削后45°铺层下层的宏观零件6和45°铺层的细观零件7组合的俯视图，其中，9-所模拟的毛刺。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施。

本发明基于abaqus有限元仿真计算软件，复合材料层合板钻削毛刺损伤的模拟方法具体步骤如下：

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。本实施例模拟的层合板包含纤维方向为90°和45°的两个铺层，每一铺层总厚度为d1+d2＝0.18mm。其中，附图1中所示的第一层的上层是90°铺层的环形宏观零件2，其内径为3mm，外径为6mm，厚度d1为0.12mm。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d2为0.06mm，并且90°铺层的环形细观零件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，其内径为3mm，外径为6mm，厚度d1为0.12mm；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，其内径为3mm，外径为6mm，厚度d2为0.06mm；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；第二层下层的45°铺层的宏观零件6和45°铺层的细观零件7的形状较为特殊是为了保证45°铺层的细观零件7在划分的网格中全部为矩形，便于模拟计算，上述复合材料工件上带有预钻孔是为了提高模型计算效率。

步骤2：导入所使用钻头的几何模型，将钻头钻尖处的旋转中心设置为参考点。本实例中使用的是直径4mm，钻顶角90°的麻花钻，即附图1中的零件1。刀具几何模型由建模软件ug建立。

步骤3：分别为工件和钻头创建网格，其中，钻头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，网格边长大约为0.1mm，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，网格边长大约为0.03mm，分别划分出纤维相集合a和树脂相集合b，如附图1所示的90°铺层的环形细观零件4和45°铺层的环形细观零件7中不同相集合的划分形式。纤维相a与树脂相b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。其中，宏观部分和纤维相的材料力学行为如附图2所示，图中横坐标为应变大小，纵坐标为应力大小，ab段为失效前的材料本构，bc段为损伤演化，d为损伤因子。而宏观部分和纤维相的材料力学行为由式(1)-(9)定量计算，具体的材料参数如下表1所示，其中，νij为泊松比，ρ为密度。

表1

树脂相的材料力学行为如附图3所示，图中横坐标为应变大小，纵坐标为应力大小，ab段为失效前的材料本构，bc段为损伤演化，为失效时的塑性应变，σ0为塑性应变起始时的应力。树脂相的材料力学行为由式(10)-(12)定量计算，具体的材料参数如下表2所示，其中e为弹性模量，ν为泊松比，σy为失效强度，ρ为密度。

表2

步骤5：分别导入钻头和工件宏观部分、细观部分的零件，将各零件组合成完整的复合材料工件，如附图1所示即为仿真模型的爆炸图。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，分析时间为1s。在场输出请求管理器和历史输出请求管理器中设置输出次数为1000，并增加切削力、状态变量等输出量。

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，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，摩擦系数为0.3；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为150mm/min，主轴转速为3000r/min。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。其中，如附图4所示为钻削后45°铺层下层的宏观零件6和45°铺层的细观零件7组合的仰视图，附图5为钻削后45°铺层下层的宏观零件6和45°铺层的细观零件7零件7组合的俯视图，可以看出钻削后45°铺层的细观零件7上产生了大量毛刺，即附图4中所模拟的毛刺8和附图5中所模拟的毛刺9。

该方法模拟了复合材料层合板钻削的毛刺损伤情况，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，进而能够有效的指导毛刺损伤的抑制。