碳纖維復合材料鉆孔工藝與分層損傷研究

胡奎福,蔡 鵬,徐春艷,尹文瀟,余金桂

(1.凌云科技集團有限責任公司 技術中心,湖北 武漢 430040;2.凌云科技集團有限責任公司 復材中心,湖北 武漢 430040;3.武漢理工大學 機電工程學院,湖北 武漢 430070)

碳纖維增強樹脂基復合材料(carbon fiber reinforced polymer/plastic,CFRP)具有質量輕,比強度、比剛度高,耐腐蝕、耐疲勞性能好,可設計性強(通過改變層片的取向與順序而改變復合材料的彈性特征和剛度特征,以滿足結構的需要)等優點,廣泛應用于航空航天等領域。在飛機中,復合材料構件的裝配經常采用鉚接和螺紋連接形式,制孔是飛機復合材料結構裝配連接過程中一個必不可少的環節,而制孔質量直接影響連接結構的承載性能。雖然復合材料具有一般金屬所不具備的優點,但它也存在許多弱點:脆性大(延伸率僅1%～3%)、層間強度低、抗撞擊能力差[1]。因此在鉆削過程中,容易出現孔的出入口纖維劈裂及孔內壁周圍材料的分層[2],分層是導致工件報廢的最主要原因。

Phadnis等[3]針對鉆削的三維有限元仿真進行了初步研究,通過改變切削速度及進給速度,模擬了不同條件下的鉆削力、扭矩、分層等,并且指出設計合理的CFRP損傷模型可以得到更為準確地仿真結果。Catalanotti等[4]通過設定CFRP的4種損傷失效模式,并建立有效的材料模型,實現了切屑形成過程中的材料損傷分析。Isbilir等[5-6]建立了CFRP的鉆削仿真模型,研究了進給、轉速等工藝參數與鉆頭幾何參數對切削力和損傷的影響,并實現了對鉆頭結構的優化設計。Liu等[7]探索了一種尺度-跨度模型方法來模擬在鉆進過程中CFRP的結構力學響應和動態漸進破壞行為。針對層間損傷,首次提出了一種基于新損傷演化規律的修正細觀失效準則的動態漸進破壞理論。在建立的尺度-跨度理論模型的基礎上,對CFRP的鉆削行為進行了數值模擬。結果表明,所建立的尺度-跨度模擬模型與試驗結果吻合較好,能夠真實模擬CFRP鉆進過程中預制孔的各種損傷行為。鮑永杰[8]研究了軸向力對制孔缺陷的影響,發現隨著軸向力的增大,分層與撕裂程度增大;賈振元等[9]研究發現:切削深度和纖維角度影響纖維變形深度,即切深越大,纖維變形深度越大,更易產生加工損傷,隨著纖維角度增加,纖維變形深度減小;Onawumi等[10]在鉆削CFRP/Ti時使用超聲振動作為輔助,發現超聲振動可以減小切削力。近年來計算機技術飛速發展,有限元分析軟件的功能日益完善,同時,CFRP價格昂貴且不易加工,因此使用有限元分析軟件模擬CFRP加工的方法得到了推廣。有限元分析被廣泛應用于工程和學術研究中,但對CFRP加工過程中分層損傷的模擬研究較少。

筆者采用ABAQUS有限元分析軟件,基于Hashin失效準則,及雙線性Cohesive損傷模型中的BK(born and karman)失效準則,對CFRP層合板的分層損傷進行模擬。研究鉆頭轉速及進給量對分層損傷的影響,為工藝參數選擇提供參考。

1 試驗方案

采用有限元模擬方法研究鉆削工藝參數(進給量和鉆頭轉速)對復合材料層合板分層損傷的影響,確定平面復合材料制孔過程的最優鉆削工藝參數。使用硬質合金鉆頭在CFRP層合板上鉆直徑為2.5 mm的通孔,板厚為3 mm,因此設定鉆頭行程為3.6 mm,保證橫刃可以鉆出工件底層。

綜合考慮現場工具配備及制孔工藝要求,在仿真中主軸轉速控制在700～6 000 r/min范圍內,取4個轉速值(2 700 r/min,3 800 r/min,4 500 r/min,6 000 r/min);進給量控制在0.02～0.06 mm/r范圍內,取3個進給量值(0.02 mm/r,0.04 mm/r,0.06 mm/r),共進行十二組試驗。每一組鉆孔試驗完成后,提取鉆削過程中穩定鉆削狀態下鉆削力(扭矩和軸向力)的平均值和鉆孔完成后的分層因子,分層因子Fd的表達式為:

Fd=Dmax/D0

(1)

式中:Dmax為孔加工后層間破壞區域最大處的孔直徑;D0為所要加工的孔直徑。

2 有限元仿真

2.1 鉆頭模型和CFRP層合板模型的建立

采用ABAQUS有限元軟件建立CFRP層合板的鉆削模型時,先建立CFRP層合板,圓板半徑為10 mm,厚度為3 mm,層數為25層,入口層和出口層厚度為0.11 mm,其余23層厚度為0.12 mm,鋪層角度如圖1(c)所示。由于入口層、出口層分層損傷最嚴重,因此僅在在復合材料層合板上、下表面鋪層處分別設置了Cohesive界面層a、b,厚度為0.01 mm。

圖1 CFRP鉆削模型及鋪層

CFRP的失效準則采用Hashin準則,Hashin損傷模型中考慮了4種不同的損傷引發機制:纖維拉伸、纖維壓縮、基體拉伸和基體壓縮[11-12]。

鉆削模型及鋪層如圖1所示。建立鉆頭模型時,由于鉆頭直徑較小,且有限元仿真對鉆頭表面的網格質量要求較高。因此,先使用Solidworks建立鉆頭模型,再導入前處理軟件Hypermesh中劃分網格(網格密度設定為0.2),最后導入ABAQUS中,得到孤立網格的鉆頭模型。在進行鉆頭與CFRP層合板的裝配時[13],鉆頭中心與層合板中心對齊,鉆頭軸線與Z軸平行,在鉆頭橫刃與層合板間預留0.1 mm的間隙,保證鉆削起始時鉆頭不會直接與層合板接觸。

2.2 材料參數

鉆頭使用標準麻花鉆,麻花鉆的幾何參數如下:鉆頭直徑D=2.5 mm,螺旋角β=30°,橫刃斜角Ψ=50°,頂角2φ=120°;麻花鉆的力學性能參數包括楊氏模量E=210 000 MPa,泊松比μ=0.25,密度ρ=8.3×10-9t/mm3。CFRP層合板的力學性能參數如表1所示,設定Cohesive界面單元的損傷穩定粘性系數為0.000 01。

表1 CFRP層合板力學性能參數

2.3 邊界條件和網格劃分

CFRP層合板利用掃略網格的方法進行離散化,單元類型為八節點減縮積分連續殼單元(SC8R)。Cohesive界面層采用為邊布種的方式進行離散化,單元類型為三維八節點粘性單元(COH3D8)[14],在設置Cohesive層時將最大剛度退化系數設定為0.98,以增加計算收斂性。當材料剛度下降率SDEG值達到0.98時,表明Cohesive單元已經失效,失效單元被刪除后形成分層損傷。

對中心半徑為3 mm的區域使用邊布種的方式進行網格細化,CFRP層合板模型的邊界條件為外周固定。鉆頭采用自由網格劃分方式,將麻花鉆設為剛體,單元類型設定為三維四節點四面體單元(C3D4)。沿鉆頭鉆進方向設置鉆頭的角速度和進給速度,同時限制其他兩個方向的位移和轉動。

3 結果分析

3.1 鉆削過程應力分析

圖2為CFRP層合板鉆削過程仿真不同階段的示意圖。CFRP層合板的鉆削加工過程大致可分為3個階段。

圖2 CFRP層合板鉆削過程中Mises應力變化

階段I為初始階段,即鉆頭橫刃接觸層合板到主切削刃完全鉆入層合板的過程;圖2(a)中鉆頭橫刃剛鉆入層合板時,屬于Ⅰ階段。階段Ⅰ中主切削刃首先使鉆入口處纖維層剝開,然后把它切斷,這種剝離是產生分層的重要原因,該階段中切削面積不斷增大,軸向力增長較快。

階段II為主切削刃完全進入層合板內切削的過程,副切削刃開始切削孔壁材料;圖2(b)中鉆頭主切削刃已完全進入層合板,屬于階段Ⅱ。階段Ⅱ切削面積不變,軸向力數值上下波動,變化不大,該過程中待切削材料層不斷減少,材料剛度降低。

階段III為鉆頭橫刃到達層合板底部層至主切削刃完全鉆出的過程;圖2(c)中橫刃已鉆出層合板底層,圖2(d)中鉆頭主切削刃已完全鉆穿層合板。當鉆頭橫刃接觸到最底層纖維時,給了底層纖維一個向外推的力,使得鉆出口處纖維層與基體分離,導致鉆出口處纖維層出現分層、撕裂等缺陷。隨著橫刃和主切削刃逐漸鉆出層合板,切削面積減小,軸向力逐漸減小,直到鉆頭完全鉆穿層合板,軸向力慢慢趨于零。

3.2 鉆削工藝參數對分層損傷的影響

如圖3和圖4所示,鉆頭開始鉆入后軸向力和扭矩均由零逐漸增大,其中軸向力增大的幅度快一些;當鉆頭主切削刃全部鉆入層合板時軸向力和扭矩達到最大值,在鉆頭未鉆出前一直保持這一穩定狀態。鉆頭鉆出過程開始后軸向力和扭矩均開始下降,直到鉆頭完全鉆出變成零,其中扭矩的下降較軸向力的下降要滯后。鉆削過程中軸向力和扭矩都有一定的波動,其中扭矩的波動量更大,且波動頻率更快。

圖3 不同鉆削工藝參數下扭矩隨鉆削深度的變化

圖4 不同鉆削工藝參數下軸向力隨鉆削深度的變化

圖5為鉆孔后上表面、下表面鋪層界面損傷結果。分層損傷集中在孔周,復合材料層合板在下表面鋪層界面處的分層損傷較上表面鋪層界面處的損傷更為嚴重,因此提取下表面鋪層界面處的分層因子作為參考。

圖5 不同鉆削工藝參數下鉆孔后上、下表面鋪層界面損傷結果

不同鉆頭轉速條件下復合材料層合板鉆削過程中平均扭矩、平均軸向力與進給量的關系如圖6所示。從圖6可知,控制轉速不變時,進給量越大,平均扭矩、平均軸向力越大;這是因為隨著鉆頭進給量的增大,切削刃單位時間切削的材料增加,故鉆頭受到的摩擦力因而增大,導致軸向力有增大的趨勢,分層因子隨之增大?？刂七M給量不變時,轉速越大,平均扭矩、平均軸向力越大。這是由于隨著轉速的增大,切削速度和進給速度增大,單位時間材料去除量增加,導致軸向力和扭矩增大,分層因子隨之增大。

圖6 鉆削工藝參數對扭矩、軸向力和分層因子的影響

4 結論

筆者使用ABAQUS有限元仿真軟件,并結合Hashin失效準則,以及雙線性Cohesive損傷模型中的BK失效準則,數值模擬不同工藝參數對CFRP層合板分層損傷的影響,研究結論如下:

(1)鉆削時進給量越大、轉速越大,軸向力和扭矩越大,分層損傷越嚴重。

(2)鉆孔后下表面鋪層界面損傷較上表面鋪層界面損傷更嚴重,分層因子更大。

(3)鉆削過程中軸向力和扭矩都有一定的波動,其中扭矩的波動量更大,且波動頻率更快。