一种碳纤维复合材料直角切削温度分布的预测方法

本发明属于复合材料加工，尤其涉及一种碳纤维复合材料直角切削温度分布的预测方法。

背景技术：

1、碳纤维增强复合材料（cfrp）因其高比强度、比模量，抗疲劳性能、耐腐蚀性能优越等特点，被广泛应用于航空航天等诸多技术领域。进一步研究后发现，cfrp在细观上是由碳纤维和树脂组成，其中树脂的性能易受温度的影响，其弹性模量和强度会随温度的增加而减小，尤其是当温度超过其玻璃化转变温度（170～200℃）后，树脂的力学性能会急剧下降。此外，cfrp的热导率和比热容小，切削加工产生的热量不易扩散，从而导致切削区温度较高，容易超过树脂的玻璃化转变温度。这均会对cfrp零件的制造与加工产生不利影响，集聚的热量不仅会导致树脂的开裂，还将显著影响树脂对纤维的支撑作用，致使纤维难以有效切断，最终引发纤维拔出、分层、毛刺和撕裂等损伤。因此，必须对cfrp切削过程中不同加工参数下的温度分布情况进行预测，分析其温度变化规律并控制切削区温度，从而抑制切削过程中（因温度变化）对损伤cfrp的性能影响。

2、技术人员为解决上述技术问题进行了诸多技术尝试，例如：通过开展了大量实验进行实验分析，并对cfrp切削时的温度分布和变化规律进行理论解析。此外，国内外学者还针对cfrp直角切削温度分布的预测开展了大量研究。2019年齐振超等在《工具技术》杂志发表的“基于热力耦合仿真的cfrp直角切削机理研究”采用2d hashin失效准则定义材料的失效起始，考虑了切削过程中摩擦功转换为热量的分配比重，建立了纤维切削角为0°，45°，90°，135°的直角切削模型，研究了不同纤维切削角的温度分布情况和切削峰值温度变化趋势。以及，2023年ni等在《materials》杂志发表的“research on multiscale modeling andexperiment of cfrp milling”基于3d hashin失效准则对cfrp的渐进式损伤进行了表征，模拟了切削过程中刀-工摩擦及工件开裂两种形式热源的产热，及热量的传递，发现热量主要沿纤维方向扩散，且温度分布与纤维取向密切相关。

3、但进一步研究后发现，实验方法测量温度分布周期长，成本高，同时现有设备也很难准确表征cfrp切削时的温度分布和变化规律；而理论解析所需建立的模型极为复杂，难以准确求解连续切削过程中的温度分布，最终导致温度分布模拟（预测）结果与实际加工（试验）结果之间存在着一定误差。

技术实现思路

1、本发明提供了一种碳纤维复合材料直角切削温度分布的预测方法，该预测方法克服了现有技术中存在的技术缺陷，通过分析了刀-屑摩擦、刀-工摩擦的两种热量产生方式，确定了热量在工件内部及刀-工之间的传递机制，确定了材料力学性能随温度变化的规律，建立了碳纤维增强复合材料直角切削的三维宏观热力耦合仿真模型，实现了对碳纤维增强复合材料直角切削温度的分布预测。

2、为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

3、一种碳纤维复合材料直角切削温度分布的预测方法，包括有如下步骤：

4、步骤1：构建碳纤维复合材料工件、刀具的三维几何模型；

5、步骤2：对碳纤维复合材料工件、刀具的三维几何模型作网格划分，得到碳纤维复合材料工件、刀具的六面体网格；

6、步骤3：确定碳纤维复合材料工件、刀具的力学行为及其随温度变化的力学性能；

7、步骤4：根据实际加工的切削深度，调整碳纤维复合材料工件、刀具的三维几何模型之间的位置，构成三维切削模型；

8、步骤5：设置分析步的类型，确定分析步中各参数的变量取值；

9、步骤6：确定碳纤维复合材料工件、刀具的接触作用及二者的热行为；

10、步骤7：定义三维切削模型的边界条件；

11、步骤8：基于前述步骤1-7，计算得到碳纤维复合材料直角切削温度分布的预测结果。

12、较为优选的，所述步骤2中对刀具三维几何模型作网格划分的过程具体可描述为：

13、对刀具三维几何模型中的非切削区，自靠近切削区一侧至远离切削区一侧的方向，按网格密度逐渐递减的方式进行划分；

14、对刀具三维几何模型中的切削区，按网格均匀分布的方式进行划分，且划分得到切削区的网格尺寸不大于划分得到非切削区的网格尺寸。

15、较为优选的，所述步骤3中确定碳纤维复合材料工件的力学行为及其随温度变化的力学性能的过程具体可描述为：

16、采用线弹性本构模型，表征碳纤维复合材料工件内部产生损伤之前的力学行为；

17、采用线性损伤演化准则，演化碳纤维复合材料工件内部产生损伤之后的力学行为；

18、根据碳纤维复合材料工件其材料在不同温度下的力学性能，拟合获得了材料弹性模量和强度随温度变化的曲线。

19、较为优选的，采用线弹性本构模型，表征碳纤维复合材料工件内部产生损伤之前的力学行为的过程具体可描述为：

20、基于hashin-puck失效准则，判断碳纤维复合材料工件四种失效模式的失效起始；其中，四种失效模式的失效准则分别满足：

21、当≥0，即沿纤维方向拉伸失效时：

22、（1）；

23、当<0，即沿纤维方向压缩失效时：

24、（2）；

25、当≥0，即垂直于纤维方向拉伸失效时：

26、（3）；

27、当<0，即垂直于纤维方向压缩失效时：

28、（4）；

29、式（1）-（4）中，上标、分别表示拉伸、压缩失效，下标、分别表示纤维、基体，下标数字1、2、3分别表示沿纤维方向、垂直纤维方向、工件厚度方向，、分别表示有效正应力、切应力，、分别表示沿纤维方向、垂直纤维方向上的强度，为复合材料的剪切强度；

30、、、是垂直于纤维方向压缩失效时形成断裂平面的应力分量，其与有效应力分量的关系，满足：

31、（5）；

32、式（5）中，为碳纤维复合材料工件断裂面的角度；

33、为断裂面上垂直于纤维方向的剪切强度，满足：

34、（6）；

35、、为摩擦系数，由材料参数和断裂面的角度计算获得：

36、（7）。

37、较为优选的，采用线性损伤演化准则，演化碳纤维复合材料工件内部产生损伤之后的力学行为的过程具体可描述为：

38、不同材料方向的损伤因子d，分别满足：

39、（8）；

40、式（8）中，、、为失效起始时的应变，、、为最终断裂时的应变；

41、其中，、、、、、分别满足：

42、（9）；

43、式（9）中，为弹性模量，、、为沿纤维方向的拉伸载荷下的断裂能、沿纤维方向的压缩载荷下的断裂能、垂直纤维方向的拉伸载荷下的断裂能；表示单元的特征长度；

44、横向压缩失效模式下的损伤因子基于断裂面上的应变计算，满足：

45、（10）；

46、其中，满足：，由断裂面上的应变分量计算得到：

47、（11）；

48、式（11）中，为失效起始时的应变，通过提取失效因子达到1时应变的值获得；表示最终断裂时的应变，满足：

49、（12）；

50、式（12）中，为断裂能，是失效起始时的应力，由断裂面上的应力分量决定。

51、较为优选的，步骤6具体可描述为：

52、在不考虑辐射散热和对流散热的情况下，加工过程中产生的热量由以下两部分组成：其一为刀具前刀面与切屑摩擦产生的热量，其二为刀具后刀面与碳纤维复合材料工件相对运动引起的摩擦产热；

53、其中，刀具前刀面与切屑摩擦产生的热量、刀具后刀面与碳纤维复合材料工件相对运动引起的摩擦产热，满足：

54、（18）；

55、式（18）中，表示摩擦能耗散为热量的系数，为传导到刀具前刀面和刀具后刀面的热量系数，为刀具后刀面与碳纤维复合材料工件接触的有效应力，表示刀具前刀面与切屑、刀具后刀面与碳纤维复合材料工件之间的滑移率；

56、根据能量守恒定律，碳纤维复合材料工件任一单元的热流平衡方程，满足：

57、（19）；

58、式（19）中，表示单元总热流，、、分别为碳纤维复合材料工件的密度、比热容、热导率，为单元温度，为碳纤维复合材料工件任一单元的任一方向；

59、通过式（19）对时间进行离散，得到碳纤维复合材料工件任一单元在时间处的温度，满足：

60、（20）；

61、此外，当刀具后刀面与碳纤维复合材料工件的两个接触面之间存在温差时，热量也会进行传递，满足：

62、（21）；

63、、分别为碳纤维复合材料工件侧、刀具后刀面侧的热流，表示由摩擦滑动引起的沿界面方向热流，是传递给碳纤维复合材料工件的热量比例系数，为刀具后刀面与碳纤维复合材料工件的热接触传导系数，满足：；其中，、分别为碳纤维复合材料工件、刀具的热导率，、为碳纤维复合材料工件、刀具的温度。

64、本发明提供了一种碳纤维复合材料直角切削温度分布的预测方法，该种碳纤维复合材料直角切削温度分布的预测方法，包括有如下步骤：步骤1：构建碳纤维复合材料工件、刀具的三维几何模型；步骤2：对碳纤维复合材料工件、刀具的三维几何模型作网格划分，得到碳纤维复合材料工件、刀具的六面体网格；步骤3：确定碳纤维复合材料工件、刀具的力学行为及其随温度变化的力学性能；步骤4：根据实际加工的切削深度，调整碳纤维复合材料工件、刀具的三维几何模型之间的位置，构成三维切削模型；步骤5：设置分析步的类型，确定分析步中各参数的变量取值；步骤6：确定碳纤维复合材料工件、刀具的接触作用及二者的热行为；步骤7：定义三维切削模型的边界条件；步骤8：基于前述步骤1-7，计算得到碳纤维复合材料直角切削温度分布的预测结果。

65、具有上述步骤的一种碳纤维复合材料直角切削温度分布的预测方法，其相比于现有技术而言，至少具备有如下技术优势：

66、（1）本发明提供的一种碳纤维复合材料直角切削温度分布的预测方法，其充分考虑了碳纤维复合材料直角切削过程中的刀-工热量传递及碳纤维复合材料的材料力学性能随温度变化的问题，建立了碳纤维复合材料直角切削的三维宏观热力耦合仿真模型；构建形成的模型分析了切削过程中热量的产生方式，确定了热量传递机制，同时，定义了材料力学性能随温度变化的规律。

67、（2）本发明提供的一种碳纤维复合材料直角切削温度分布的预测方法，实现了对碳纤维复合材料直角切削过程产热传热的模拟，获得了切削过程中的温度分布情况。通过该预测方法，实现了对碳纤维复合材料直角切削过程温度分布的预测，从而可以为碳纤维复合材料切削温度的控制和加工损伤的抑制提供技术支持。