金属基复合材料激光辅助微切削表面层微观缺陷形成机制及多尺度建模

The multi-scale modeling of surface layer micro-defects applied to laser-assisted mechanical micromachining will be studied under the background of metal matrix composites micro manufacturing. The rule of formation and evolution that surface layer micro-defects of metal matrix composites in the process of laser-assisted mechanical micromachining will be explored, the intrinsic features of laser-assisted mechanical micromachining of MMC process will be studied deeply, through the laser-assisted mechanical micromachining experiments of laser-assisted mechanical micromachining typical metal matrix composites and utilization of high-speed photography devices and FE dynamic visual simulation technology. Based on crystal plasticity theory, the constitutive equations will be deduced through multi-scale modeling. The mathematical and physical material model will be established further, which involves the reinforcement and matrix particle sizes, distribution, orientations and reinforcement-matrix interface grain boundaries. Combined with the advantage of equivalent homogeneous material model and micro-mechanical model, the simulation of laser-assisted mechanical micromachining process will be carried out using the 3D multi-scale FE model established by multistep method, moreover，the analysis of the formation and expansion of subsurface damage and the factors of micro cutting force will be performed. On the basis of the analysis, the influence law of alternating stress field and material fatigue fracture will be investigated and a novel micro cutting force model will be proposed. This study will lay a theoretical foundation and provide technology guarantee, which will optimize the process of laser-assisted mechanical micromachining of metal matrix composites and improve the physical-mechanical performance of micro cutting surface layer.

本项目以金属基复合材料精密微切削为研究背景，开展激光辅助微切削过程中材料表面层微观缺陷形成的多尺度建模研究。通过典型金属基复合材料激光辅助微切削实验,利用高速摄影设备及有限元动态可视化仿真技术，探索激光辅助微切削过程中金属基复合材料表面层微观缺陷形成及演化规律；深入揭示金属基复合材料激光辅助微切削过程的本质特征；根据晶体塑性理论，通过多尺度建模，构建金属基复合材料本构关系，提出能反映增强体和基体晶粒大小、分布、取向以及增强体-基体界面晶界效应的数学物理模型；结合等效均质材料模型和细观力学模型优势，运用多步法建立三维多尺度有限元分析模型，对激光辅助微切削过程进行仿真，分析激光辅助微切削过程中亚表面损伤的形成与扩展及切削力影响因素，探索交变应力场对材料疲劳断裂影响规律，构建微切削应力场计算模型；为金属基复合材料激光辅助微切削工艺优化及微切削表面层物理-机械性能的提高奠定理论基础和提供技术保障。

激光因其能量分布和时间特性上的良好可控性，已成为加热辅助切削的最重要热源；伴随着精密微切削技术的发展，激光辅助微切削技术得到越来越广泛的重视。国内外学者针对增强金属基复合材料加工过程中的刀具磨损、表面强度、亚表面损伤和切削力预测等方面进行了大量的实验研究和数值模拟。但存在计算复杂度高，不适用于大损伤模型；等效均质材料（EHM）方法无法研究局部缺陷机制。目前在切削力的正确计算及表面加工质量的评价和控制方面的研究存在不足。基于以上缺点，本项目以金属基复合材料精密微切削为研究背景，开展了激光辅助微切削过程中材料表面层微观缺陷形成的多尺度建模研究。. 根据金属基复合材料激光辅助微切削的主要特点，设计了典型金属基复合材料激光辅助微切削实验,利用高速摄影设备观察材料表面层微观组织变化，考察了材料表面层微结构在不同激光能量照射及微切削参数条件下的变形及演化特征，分析了激光辅助微切削过程中的亚表面损伤机理及切削力影响因素，同时结合有限元动态可视化仿真技术，对激光辅助微切削过程中金属基复合材料表面层微观缺陷形成及演化规律进行分析；深入揭示了金属基复合材料激光辅助微切削过程的本质特征；根据晶体塑性理论，通过多尺度建模，构建了金属基复合材料本构关系，提出了能反映增强体和基体晶粒大小、分布、取向以及增强体-基体界面晶界效应的数学物理模型，为有限元模拟提供了理论基础；结合等效均质材料模型和细观力学模型优势，通过多步法建立了三维多尺度有限元分析模型，对激光辅助微切削过程进行了仿真研究，分析了激光辅助微切削过程中亚表面损伤的形成与扩展及切削力影响因素，构建了微切削应力场计算模型；对金属及复合材料切削力、切削变形及亚表面损伤进行了预测。为金属基复合材料激光辅助微切削工艺优化及微切削表面层物理-机械性能的提高奠定理论基础和提供技术保障。