CFRP制孔表面质量表征及其对连接强度性能影响机理研究

Due to the demands of the aircraft manufacturing industry, the use of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) is increasing rapidly in recent years, and machining quality of CFRP components becomes a key issue to achieve the high efficiency and high quality in aircraft assembly process. In this project, to address the problems of characterization methods for CFRP machined surface quality and connection between surface qualities with joint strength performance, a number of theoretical fundamentals will be investigated as follow: research on CFRP micro cutting mechanism and establish a force-heat coupling model for CFRP cutting zone, and reveal the damage formation mechanism in CFRP machining process. For further step, the influences of CFRP surface properties on mechanical strength and the weakening mechanism after machining was investigated, and the surface integrity evaluation method for CFRP machining will be established. The effects of different hole-making methods and cutting parameters on surface integrity in CFRP hole-making process were studied, a CFRP low damage process database will be built with the optimization results for cutting parameters and cutting conditions, and the relation among hole-making parameters, surface quality and strength performance can be established. The outcome of the project will lay down a solid theoretical foundation for the establishment of CFRP processing quality evaluation standards and the improvement of CFRP component assembly quality.

复合材料在飞机制造领域的应用比例逐年增加，保证碳纤维增强复合材料加工质量成为实现高效率高质量飞机装配的关键。本项目针对CFRP复合材料切削加工表面质量表征体系不完善，以及加对连接强度性能影响规律不明确等问题，研究CFRP细观切削机理，建立切削区力热耦合模型，揭示CFRP不同加工损伤形成机制；分析在加工损伤条件下CFRP构件裂纹形成及扩展规律，研究复合材料加工表面性状对其机械强度的影响规律，揭示加工损伤导致的机械强度弱化机理，在此基础上建立CFRP加工表面完整性表征方法；研究不同制孔方式及工艺参数对CFRP制孔表面完整性的影响规律，优化制孔工艺参数，形成低损伤CFRP制孔工艺数据库，构建CFRP制孔工艺-表面质量-强度性能三者完整的映射关系。研究成果将为完善复合材料加工质量评价标准以及提高复合材料装配质量提供理论依据和技术支撑。

本项目针对碳纤维增强复合材料切削加工表面质量及其对材料机械强度的影响规律等问题，采用理论分析、计算仿真和试验研究相结合的方法展开了相关研究工作。首先，研究了CFRP复合材料切削细观切削机理，建立了基于能量的复合材料切削力预测模型，提出了基于切削过程中表面断裂韧度的加工损伤预测方法；通过对复合材料加工表面特征的分析，提出了基于表面粗糙度、表面孔隙率以及影响层厚度的复合材料加工表面完整性表征指标；其次，通过对不同纤维方向角CFRP铣削加工过程中切削力时域、频域及时频特征的分析，建立了各个特征量和对应加工表面质量的映射关系；同时，结合近场动力学在在研究材料大变形、断裂和损伤等问题时的明显优势，建立了基于键基以及非常规态的CFRP近场动力学仿真模型，实现了对切削过程以及加工损伤的准确预测；最后，通过有限元仿真以及试验相结合的手段，分析了复合材料层合板制孔分层损伤大小、位置及形状等参数对材料力学性能的影响规律，并且针对复合材料沉头孔螺栓连接结构，得到了连接孔加工几何误差对连接结构疲劳性能的影响规律，在此基础上建立了基于复合材料连接结构服役性能的连接孔加工几何精度及质量评价指标。以上研究成果，在完善纤维增强复合材料切削加工基础理论，提高复合材料构件连接装配质量和效率，以及进一步加速高性能复合材料在航空以及汽车等领域的应用等方面具有重要意义。