碳纤维/氰酸酯材料本构模型建立及加工微裂纹研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liongliong449
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碳纤维是一种理想的结构用增强材料,具有比强度高、比模量高、尺寸稳定性好、耐腐蚀能力强、线膨胀系数低等优点,而氰酸酯作为新一代高性能热固性基体,具有良好的热稳定性、力学特性、高粘接性能等优点,碳纤维/氰酸酯复合材料作为一种碳纤维增强复合材料被广泛应用在卫星结构材料领域中。然而,碳纤维/氰酸酯在应用过程中容易出现分层、撕裂、毛边及加工热损伤等加工缺陷,这些多是由于在加工过程中材料产生的损伤和微裂纹导致,所以,揭示碳纤维/氰酸酯复合材料的加工机理和损伤微裂纹的产生、扩展演变机理,减少加工缺陷,己经成为迫切需要研究的问题。  本文首先基于 ABAQUS 有限元软件建立碳纤维/氰酸酯复合材料的微观本构模型。采用双扰动算法实现碳纤维增强相在代表性体积单元中周期性随机分布的特点。基于韦布尔强度分布理论和蒙特卡罗相结合的方法,实现对碳纤维强度随机分布的脆性材料属性定义,通过线性插值方法拟合基体材料的应力应变曲线关系实现对氰酸酯基体材料的力学性能表征,采用内聚力模型来模拟碳纤维增强相与氰酸酯基体间的界面性能。建立复合材料局部微观理论力学分析模型,得到纤维断裂、界面开裂和基体裂纹产生的规律。  建立碳纤维/氰酸酯复合材料的切削仿真模型,分析碳纤维增强相、氰酸酯基体和界面在切削过程中的损伤和裂纹的产生过程并对其进行分类。探究切削速度、纤维切削角度和刀具刃口半径等因素对加工损伤及微裂纹产生的影响,得到不同切削条件下增强相的变形损伤及断裂机制和基体、界面的损伤裂纹深度。同时,对切削出口处毛刺的形成原因也进行了比较分析。  开展碳纤维/氰酸酯复合材料的铣削实验,观测复合材料加工表面损伤和微裂纹形貌并对其进行分类。探究主轴转速、每齿进给量和纤维取向对加工表面损伤程度和微裂纹产生的影响规律。观察对比切屑的形态,综合分析在不同切削条件下表面损伤产生的原因。将实验观测分析结果与有限元仿真分析对比,验证仿真分析的正确性。
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