机织碳纤维复合材料短脉冲激光铣削是一种非接触、热影响区小、柔性高的材料去除技术,通过逐层去除加工区域的材料,形成孔、槽和型腔,在航空航天领域具有广泛的应用前景。短脉冲激光具有高能量密度,对机织碳纤维复合材料的作用涉及热输运、材料相变、热解气体输运等多物理过程的耦合,材料去除机理较为复杂,且激光热效应会引起树脂热解、纤维裸露等热力损伤缺陷,降低复合材料力学性能。此外,激光单脉冲能量较小,宏观尺度的材料去除需通过激光扫描线区域填充、材料层层去除的铣削加工方式实现,工艺参数选取对材料去除过程具有显著影响。本论文研究了一种机织碳纤维复合材料短脉冲激光铣削工艺,围绕短脉冲激光作用下的能量吸收、材料去除机理、工艺参数优化设计等核心问题,采用理论分析、工艺实验与数值仿真相结合的方法开展研究,主要研究内容和相关结论如下:(1)机织碳纤维复合材料短脉冲激光铣削实验研究开展了机织碳纤维复合材料短脉冲激光铣削实验,研究了激光铣削特征与工艺参数影响规律。通过单因素筛选实验,分析了平均功率、填充间距、扫描速率等参数与热影响区过大、加工面粗糙等加工缺陷之间的映射关系。开展了响应面实验研究,获得了以材料去除率为响应的多项式拟合模型。分析了工艺参数之间的交互影响,采用方差分析得出了对材料去除率具有显著影响的因素。通过加工面微观形貌观测及产物分析,揭示了短脉冲激光的微观烧蚀与材料力学剥蚀机理。定量分析了材料力学剥蚀效应,提出了一种基于脉冲重叠率控制的工艺参数优化方法,从而使材料去除效率最大化。(2)机织碳纤维复合材料激光吸收特性分析基于激光电磁波传播理论与碳纤维单轴晶体光学性质,开展了光线在碳纤维/树脂界面的反射与折射行为研究,建立了单根碳纤维吸收率解析模型。通过研究单根光线在碳纤维/树脂微观组织结构中的传播模式,建立了碳纤维理想均布材料光线追迹模型,获得了材料微观组织与激光参数(偏振、能量分布、移动特征)对激光吸收率的影响规律,揭示了碳纤维复合材料对激光的选择吸收特性。通过改进碳纤维随机放置方法,生成了碳纤维体积分数高达60%的碳纤维随机分布材料模型,并建立了相应的光线追迹模型,开展了拟真实材料的吸收率分析。进行了碳纤维复合材料表面吸收率测试实验,验证了吸收率计算模型的有效性。(3)短脉冲激光作用下机织碳纤维复合材料的响应行为针对短脉冲激光与材料相互作用所具有的高加热速率与冷却速率的特点,开展了树脂热解机理研究。建立了包含碳纤维复合材料表面烧蚀与树脂热解的一维数值模型,利用生死单元法模拟了材料的烧蚀去除。采用顺序耦合计算框架对热输运、热解气体输运过程进行了数值求解,获得了短脉冲激光烧蚀碳纤维复合材料的材料响应特征。研究了激光脉冲宽度对材料烧蚀去除和热影响区生成的影响规律,分析了热解气体流动压力随激光辐照与脉冲宽度的变化特征,揭示了材料力学剥蚀效应产生的物理机制。研究表明,较短的激光脉宽有利于材料去除与热效应抑制,为短脉冲激光在碳纤维复合材料加工中的适用性提供了理论依据。(4)机织碳纤维复合材料短脉冲激光铣削三维数值仿真分析结合短脉冲激光铣削工艺特征,建立了机织碳纤维复合材料激光铣削三维数值模型,分析了材料去除以及热影响区动态形成过程。通过对单脉冲激光烧蚀的分析,获得了材料烧蚀形貌以及温度场变化特征。进行了连续脉冲激光烧蚀研究,分析了脉冲之间的相互影响与脉冲间岛形材料区域的产生过程,准确预测了热扩散在岛形区域中的累积现象,阐明了材料力学剥蚀对提高材料去除率的重要作用。开展了包括平均功率、光斑间距等关键工艺参数分析,获得了使力学剥蚀效应最大化的工艺参数组合,并通过短脉冲激光铣削实验验证了仿真模型。(5)机织碳纤维复合材料短脉冲激光铣削应用研究基于短脉冲激光铣削工艺,开展了机织碳纤维复合材料型腔铣削与轮廓铣削应用。进行了型腔铣削深度控制研究,分析了短脉冲激光铣削中材料去除过程的稳定性以及扫描层之间的相互影响。分析了轮廓铣削中切缝的主要特征,并观测了热影响区的范围与形状。进行了激光铣削样件力学性能测试,通过与机械切割样件的对比,阐明了激光铣削热影响对材料力学性能衰减的影响。