芳纶纤维复合材料制孔温度场及热应力场研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:sishenzhichi
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芳纶纤维复合材料(AFRP)具有强韧性、轻质高强和抗冲击性等诸多优良性能,越来越广泛的应用于航空航天、军工、民用等领域中。但是,芳纶纤维复合材料是一种典型的难加工材料,具有低导热性和强韧性,各向异性,在实际加工中相较于碳纤维复合材料(CFRP)更易产生缺陷,诸如毛刺、撕裂、分层、热损伤等。而制孔加工作为芳纶纤维复合材料加工极为普遍的加工方式之一,相较于切边加工,更易产生各种加工缺陷,热损伤是其中比较常见的缺陷之一。这些缺陷的产生对芳纶纤维复合材料构件的使役性能有着较为严重的影响,制约了复合材料构件的进一步应用。  本文结合国家自然科学基金项目“高强高韧复合材料加工过程力热耦合作用机理及损伤消减策略”的相关内容,以芳纶纤维复合材料为研究对象,从数值模拟和试验分析两方面研究了制孔过程中材料的温度场和热应力场,分析了环境温度对芳纶纤维复合材料去除过程的影响规律,传统麻花钻及薄壁套料钻制孔过程的温变特性和热应力场,材料的细观热应力场,以及制孔过程温度影响因素及其影响规律。本文的主要研究工作内容和所得到的相关成果如下:  (1)通过试验分析了不同环境温度下,芳纶纤维复合材料去除过程及环境温度变化对材料划痕质量的影响规律,分析了芳纶纤维切削特点并建立了芳纶纤维复合材料去除过程划切模型,并研制了薄壁套料制孔刀具以减少制孔损伤。  (2)基于芳纶纤维复合材料材料特性及制孔加工特点,确立了制孔过程的移动热源模型,并建立了芳纶纤维复合材料传统麻花钻及薄壁套料钻制孔温度场模型。并通过顺序热力耦合的方式建立了其制孔过程的热应力场的分析模型,通过材料细观模型建立了芳纶纤维复合材料温度变化过程中的细观热应力场模型。  (3)开展了芳纶纤维复合材料传统麻花钻及薄壁套料钻钻孔过程温度场数值模拟分析,结果表明,在相同切削参数条件下,薄壁套料钻钻孔温度高于传统麻花钻,材料底面一点温度升高特性均呈现三次曲线规律。芳纶纤维复合材料制孔过程中温度极易超过芳纶纤维复合材料基体的玻璃化转变温度,材料底面存在明显的热影响区且不同区域温升速度不同。  (4)基于顺序热力耦合的方式开展了芳纶纤维复合材料制孔过程的热应力场数值模拟分析以及材料温度变化过程的细观热应力场模拟分析。结果表明,材料的热应力场分布呈现不均匀性,最高热应力在材料的加工底面孔壁处,细观热应力场分布随着纤维的分布变化而变化。  (5)开展了芳纶纤维复合材料制孔温度的验证试验,对比仿真结果与具体试验结果,有较高的一致性,进而验证了所建有限元模型的有效性。并通过数值模拟和试验分析对不同切削参数、不同环境温度、不同加工工艺下,芳纶纤维复合材料制孔温度场开展研究,进一步探索钻孔过程不同条件对温度的影响规律及其影响特点,以探索其低损伤制孔加工策略。
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