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CFRP高速铣削渐进损伤切削力模型研究

王涛 王盛 张立峰

王涛, 王盛, 张立峰. CFRP高速铣削渐进损伤切削力模型研究[J]. 机械科学与技术, 2020, 39(5): 736-742. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190148
引用本文: 王涛, 王盛, 张立峰. CFRP高速铣削渐进损伤切削力模型研究[J]. 机械科学与技术, 2020, 39(5): 736-742. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190148
Wang Tao, Wang Sheng, Zhang Lifeng. Research of Cutting Force Model for Progressive Damage in High Speed Milling of CFRP[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2020, 39(5): 736-742. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190148
Citation: Wang Tao, Wang Sheng, Zhang Lifeng. Research of Cutting Force Model for Progressive Damage in High Speed Milling of CFRP[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2020, 39(5): 736-742. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190148

CFRP高速铣削渐进损伤切削力模型研究

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190148
基金项目: 

数字制造装备与技术国家重点实验室开放课题 DMETKF2017018

高等教育中央高校基本科研项目 3122018C007

国家自然科学基金项目 51705518

国家自然科学基金民航联合研究基金项目 U1633104

详细信息
    作者简介:

    王涛(1979-), 教授, 博士, 研究方向为航空数字化部件制造与修复, wangtaotdme@163.com

    通讯作者:

    张立峰, 讲师, 博士, zhanglifeng@tju.edu.cn

  • 中图分类号: TB332

Research of Cutting Force Model for Progressive Damage in High Speed Milling of CFRP

  • 摘要: 基于VUMAT子程序编写三维Hashin失效准则、材料刚度退化,采用Abaqus/Explicit建立求解CFRP高速铣削渐进损伤切削力模型,并通过相同实验参数进行验证,分析了纤维方向对铣削过程中切削力、应力以及材料失效的影响机制。结果表明,CFRP高速铣削切削力实验值与仿真值误差小于5%,说明渐进损伤模型可靠性较高;纤维方向对切削过程中切削力和应力有显著影响,切削力与应力都遵循规律:45° > 90° > 0 > 135°,不同角度切削力与应力差异主要是由纤维强度各向异性以及纤维受到刀尖不同类型作用力导致的。此外,切削过程中材料损伤是渐进发生的,纤维角度对材料失效也有重要影响,其中45°方向纤维失效规模最大,135°方向纤维失效规模最小。
  • 图  1  有限元模型以及相应约束条件

    图  2  高速铣削过程中纤维方向定义

    图  3  VUMAT子程序原理图

    图  4  高速铣削切削力实验值与仿真值对比

    图  5  纤维方向对高速铣削过程中应力影响

    图  6  纤维方向对高速铣削过程中材料失效的影响

    表  1  单向CFRP主要性能参数(T700, TDE-85)

    参数名称 数值
    1-方向弹性模量E11 138.0 GPa
    2-方向弹性模量E22 10.16 GPa
    3-方向弹性模量E33 10.16 GPa
    1-2平面内泊松比v12 0.28
    1-3平面内泊松比v13 0.28
    2-3平面内泊松比v23 0.30
    1-2平面内剪切模量G12 5.86 GPa
    1-3平面内剪切模量G13 5.86 GPa
    2-3平面内剪切模量G23 4.79 GPa
    密度ρ 1 540.0 kg/m3
    1-方向拉伸强度XT 1 548 MPa
    1-方向压缩强度XC 856 MPa
    2-方向拉伸强度YT 37.5 MPa
    2-方向压缩强度YC 218 MPa
    1-2平面内剪切强度S12 79 MPa
    1-3平面内剪切强度S13 79 MPa
    2-3平面内剪切强度S23 60.5 MPa
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    表  2  三维Hashin失效准则

    失效类型 表达式
    纤维拉伸失效
    纤维压缩失效
    基体拉伸失效
    基体压缩失效
    剪切失效
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    表  3  材料刚度退化模式

    失效类型 材料参数退化
    纤维拉伸 E=0.07E, G=0.07G, υ=0.07υ
    纤维压缩 E=0.14E, G=0.14G, υ=0.14υ
    基体拉伸 E22=0.2E22, G12=0.2G12, G23=0.2G23
    基体压缩 E22=0.4E22, G12=0.4G12, G23=0.4G23
    剪切失效 G12=0.1G12, υ12=0.1υ12
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    表  4  高速铣削实验参数

    切削参数 量值
    纤维方向 0, 45°, 90°, 135°
    主轴转速 10 000 r/min
    切削深度 50 μm
    刀具前后角 10°, 10°
    刀具直径 8 mm
    下载: 导出CSV
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  • 收稿日期:  2019-03-25
  • 刊出日期:  2020-05-05

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