基于多尺度数值仿真的碳纤维增强复合材料构件钻削损伤机理研究

The drilling process of carbon fiber reinforced plastics(CFRP) is playing a more important role in in aviation and aerospace industries. However, the drilling mechanism together with the damage initiation and evolution are not well understood due to the characteristics of CFRP, such as multiscale, multiphase and anisotropy.. This project aims to combined the multiscale analysis and the numerical simulation method and reveal the mechanism of the multiscale damage during drilling. The basic science problems of CFRP drilling simulation will be studied from the aspects of drilling multiscale effect， materials characterization models of multiphase, cross-scale information transfer method and sensitivity analysis. Firstly, the drilling fracture rule and multiscale effect analysis will be carried on combing with the experimental analysis, and then the predicting models of interface damage and enhanced continuum mechanics based homogenized CFRP model will be established. Secondly, the macro-meso damage model will be set up following the progressive structure of homogenization theory, then the collaborative cross-scale information transfer method will be implemented. Lastly, the multiscale simulation method of CFRP drilling will be completed with the assistance of the above-mentioned achievements, which will be evaluated by parameters sensitivity analysis. The drilling quality depreciation will be analyzed and modeled, finally the damage suppression strategy will be proposed.

在航空航天产品装配中，对碳纤维增强复合材料（CFRP）构件的钻孔加工操作越来越多，然而由于CFRP多尺度、多相、各向异性等特点，在CFRP钻削行为分析预测过程中，对其切削机理和损伤的萌生扩展规律的理解尚不尽如人意。.本项目旨在将多尺度分析与数值模拟方法结合，从钻削过程多尺度效应、多相材料表征方法、跨尺度信息传递、敏感性分析与评价等方面研究CFRP钻削多尺度模拟方法中的基础科学问题，揭示CFRP钻削多尺度损伤机理。首先结合实验展开钻削断裂规律和多尺度效应分析，面向三维动态损伤分析需求，建立体现界面多种模式损伤失效的预测模型和基于增强连续损伤介质理论的均质化复合材料本构模型；然后基于渐进均匀化方法完成宏细观损伤关联建模，并实现基于协同多尺度的跨尺度信息传递；在此基础上完成CFRP钻削行为的多尺度数值分析，进行参数敏感性分析与方法评价，对钻削质量的耗损度进行评估建模，提出损伤抑制策略。

采用有限元数值分析和实验验证相结合的方式是揭示CFRP结构件钻削机理机理的重要方式。本课题通过对CFRP结构观测、组成结构的分析，结合运用数值仿真方法、智能算法、特种加工工艺等方法与技术，在CFRP及其组分结构力学性能表征、材料损伤破坏机理、精密制孔等方面进行了深入的探究。.首先，根据CFRP的组分结构分析，采用跨尺度数值仿真分析方法实现了不同铺层角度及不同铺层顺序的CFRP结构在力学性能上实现了表征，基于CART决策树算法，实现了纤维丝在细观尺度的力学性能参数表征，提出新型灵敏度分析模型，设计在不同载荷下的高性能CFRP。.其次，考虑纤维和基体在微观状态下的不同力学行为，提出了一种基于微观失效理论的三维多尺度动态渐进损伤演化规律模型，并基于此提出了新型的微观失效损伤演化规律，通过ABAQUS/Explicit平台上建立了匕首钻钻削T700S-12K/Y-PH26型CFRP层内损伤单元动态损伤演化行为的数值分析模型，并与神经网络相结合的方法，实现快速预测钻削轴向力，且所有的多尺度数值仿真模型均进行了实验验证。.最后，基于纵扭耦合超声振动辅助切削工艺，对其在制孔时产生的损伤与损伤缺陷抑制机理进行了研究，并提出综合制孔损伤评价方法对传统工艺和纵扭耦合超声振动辅助制孔工艺进行了分析，验证损伤缺陷机理的正确性。.课题研究结果表明：提出的多尺度模拟分析方法能够有效的表征CFRP的各向力学性能，与智能算法相结合方法能够有效表征纤维丝的力学性能及设计出高性能CFRP，与传统数值分析模型对比，采用多尺度数值分析方法能够较真实的模拟出CFRP在制孔时出现的损伤缺陷现象，在精度上较高，并能揭示损伤萌生的机理，利用纵扭超声振动辅助工艺制孔时，合理工艺参数与振动辅助工艺参数能够有效抑制钻削出现的损伤缺陷，从而实现了高精密制孔。.项目资助发表了7篇学术论文，申请了6项专利。培养了2名博士生，2名硕士生。项目投入经费20万，支出近20万。