机械工程学报 ›› 2025, Vol. 61 ›› Issue (7): 144-155.doi: 10.3901/JME.2025.07.144
傅国宇, 李皓, 武卫洲, 李士鹏, 赵庆, 秦旭达
FU Guoyu, LI Hao, WU Weizhou, LI Shipeng, ZHAO Qing, QIN Xuda
摘要: 碳纤维增强复合材料(CFRP)因其优异的力学性能和轻质特性,已广泛应用于航空、航天、交通运输和民用工业等领域。然而,CFRP的层状结构和各向异性在钻削过程中易产生分层、毛刺和撕裂等缺陷,严重影响连接质量和结构完整性。本研究开发了一种创新的跨尺度加工建模方法,将宏观、介观和微观尺度的材料模型融合到统一的有限元仿真框架中,系统地研究了CFRP在钻削过程中的力学行为和缺陷形成机制。利用Abaqus/Explicit软件,对CFRP层压板的钻削过程进行了详细仿真,揭示了不同纤维角度下的应力分布和损伤演变规律。仿真结果显示,在0°纤维角度下,钻削过程中应力集中在切削区,基体损伤面积减少了35.0%;而在90°纤维角度下,应力沿纤维方向传播,导致严重纤维拔出,表面粗糙且不规则。这一发现通过扫描电子显微镜(SEM)观察和表面粗糙度测量得到了验证。研究进一步表明,合理优化钻削参数和纤维角度可以显著减少加工缺陷,提高CFRP孔的表面质量。本研究不仅提供了理解CFRP钻削过程中应力分布和损伤演变的理论依据,还为优化CFRP加工工艺提供了实用指导。通过跨尺度建模方法的应用,可以有效预测和控制加工过程中的缺陷,提升CFRP结构部件的加工质量和使用寿命。
中图分类号: