一种碳纤维复合材料切削模型的建立方法
专利汇可以提供一种碳纤维复合材料切削模型的建立方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 一种 碳 纤维 复合材料 切削模型的建立方法属于 碳纤维 复合材料切削加工研究领域，涉及一种碳纤维复合材料切削模型的建立方法。建立方法先建立基体双向约束的单纤维切断模型；然后建立刀刃与纤维间的 接触 模型和单纤维压剪模型；最后建立复合材料切削 力 模型。依据模型沿纤维方向上的纤维受力和承受的基体约束作用不同，沿纤维长度方向按边界条件不同，将其分为三段分别进行：第一段为顶端至刀刃接触点，第二段为刀刃接触点至切削平面，第三段为切削平面至远离加工面某点。本发明可表征纤维断裂及 树脂 、界面开裂，及 后刀面 对纤维 挤压 作用，获得复合材料切削加工的切削力与加工参数之间的定量关系，为实际刀具设计及工艺参数制定提供实验依据。，下面是一种碳纤维复合材料切削模型的建立方法专利的具体信息内容。
1.一种碳纤维复合材料切削模型的建立方法，其特征在于，建立方法先建立基体双向约束的单纤维切断模型；然后，建立刀刃与纤维间的接触模型和单纤维压剪模型；最后，建立复合材料切削力模型；方法的具体步骤如下：
第一步，建立基体双向约束的单纤维切断模型，描述受基体约束的纤维变形特点；
依据模型沿纤维方向上的纤维受力和承受的基体约束作用不同，沿纤维长度方向按边界条件不同，将其分为三段分别进行；
第一段为顶端至刀刃接触点，第二段为刀刃接触点至纤维与基体界面开裂终点，微元体控制方程为：
其中，两参数km和km1分别描述基体的法向和切向系数，法向界面结合刚度系数为kb，切向界面结合刚度系数为kb1，参数Ef和If分别表示纤维弹性模量和惯性矩，w(x)为距离顶端为x处的挠度；
第三段为纤维与基体界面开裂终点至纤维另一端的端点，微元体变形控制方程为
引入相应的边界条件和受力特点，通过边界条件进一步求解挠度w(x)为
其中，C1，C2，C3，和C4为常数，其他参数如下：
引入相应的边界条件和受力特点，得到了其纤维变形总体方程为：
式中，Q1,Q2,Q3和M1,M2,M3分别代表第一段顶端、第二段刀刃接触点和第三段纤维与基体界面开裂终点处的剪力和弯矩； i＝1～4,j＝1～4为第一段的刚度系数矩阵中的元素， i＝1～4,j＝1～4为第二段的刚度系数矩阵中的元素， i＝1～2,j＝1～2为第三段的刚度系数矩阵中的元素；w1,w2,w3和 分别代表第一段顶端、第二段刀刃接触点和第三段第三段纤维与基体界面开裂终点处的挠度和转角；
纤维与基体界面开裂位置未知，是否开裂需要依据界面结合强度σb进行求解，如下式：
通过公式(1)建立基体双向约束的单纤维变形控制方程和纤维变形总体方程进行如下步骤的迭代计算，得到单纤维切断力和纤维与基体界面开裂状况：
a)给定初始切削力，假设纤维和基体界面没有开裂，采用两段梁模型，计算纤维变形和应力分布；
b)根据界面结合强度，判断是否开裂，若达到界面结合强度，需要更新模型，采用三段梁模型，重新计算纤维变形和应力分布；
c)逐步增加切削力，直至纤维应力达到强度或界面开裂发生；
d)迭代求解，当纤维拉应力达到拉伸强度时，对应的法向力为垂直于纤维的刀具作用力；
e)沿纤维方向的摩擦力可以根据摩擦系数和正应力关系求解；
f)最终，得到单根切断力Scut和纤维与基体界面开裂状况；
第二步，建立刀刃与纤维间的接触模型；
当刀刃圆弧半径与纤维半径可比时，假设刀刃与纤维相互作用为两个圆柱体的接触，刀刃与纤维接触的初始为点接触，随着刀刃作用的增加进而形成面接触，此时两者间的接触面积尺寸相对于纤维半径和刀刃圆弧半径尺寸很小，此接触区的应力为局部的应力集中，不受纤维整体应力分布影响，接触区面积较小，建立了两个圆柱体弹性接触的模型进行分析，接触区椭圆的长轴和短轴分别定义为a和b，其接触区内应力σ分布为
式中，pmax为接触区域最大压力
是等效相对曲率，F1(e)为一个修正参数，E为等效杨氏模量，Lr和df为刀刃圆弧半径和纤维直径；分析接触区应力场和位移场，得到接触区内应力分布；进而根据最大拉应力准则等强度准则，计算纤维最大接触应力为σJ，另外，依据第一步中计算的纤维整体变形，进而得到最大弯曲应力为σW；
第三步，建立单纤维压剪模型；
切断区中的纤维被刀刃切断后，在切断点以下一定长度上处于弯曲状态，随着刀具的进给，被切断纤维由刀刃前刀面一侧划至后刀面的过程中受到刀具强烈的挤压作用，进一步发生压碎破坏，设纤维初始弯曲的变形长度为l及纤维直径宽度为df，构成纤维弯曲及基体剪切的局部变形模型，单纤维在压剪作用下纤维正应力达到其压缩极限强度后弯曲破坏，得到单纤维压剪力为：
其中，GLT为压剪区内包含纤维单元的复材面内剪切模量，其由纤维不同变形长度的应变能平衡方程求解：
Xcf为纤维压缩强度，f0为被切断后纤维在变形长度l上的最大曲率，Ef纤维弹性模量，Vf纤维体积分数，Gf纤维剪切模量；
第四步，建立复合材料切削力模型；
成屑总切削力包含切断区中刀具对纤维的切断作用，以及压剪区中后刀面对纤维的挤压作用两部分；
首先，切断区中的总切断力为单次成屑长度上所有单根切断力的总和，通过切削力时变特征分析，获得单次成屑长度的统计模型，进而解析求得了复合材料切削加工中切断区的总切削力；基于切削力时变特征，对成屑周期进行了统计分析，获得了切屑尺寸与切削参数的对应关系；
平均切屑长度统计是通过前期建立的复合材料原理性试验系统，准确获得了复合材料切削过程中的时变切削力，取切削力平稳段的五个连续周期作为统计样本，取其平均值作为单次成屑周期Tcp，相应计算成屑长度lcp为：
lcp＝Tcp×Vc (10)
式中，Vc为切削速度；
单次成屑中切削区内包含纤维根数计算，将纤维与基体假设为同心圆柱形紧密排布，基体环厚度为c，切削宽度为t，纤维根数nf计算如下：
压剪区中纤维根数计算，压剪区为刀刃与已加工表面的接触区域，其分为两部分，刀刃圆弧与后刀面压缩区，压剪区面积sc计算如下式：
sc＝tL (12)
其中，L为受压区长度，L＝Lr+Lh，刀刃圆弧接触部分的长度Lr为刀刃圆弧半径，后刀面压缩部分的长度为 α为刀具后角，Δh为受压深度，与刀刃圆弧半径相当；其中，假设其切断位置在刀刃与纤维接触位置；最终，压剪区的纤维根数nu计算公式为：
总切削力解析通过引入纤维局部坐标系x-y与切削区坐标系X-Y之间的转换来具体求解；局部坐标系中垂直作用于纤维上的单根切削力为Scut，转换到切削区坐标系中X和Y方向的力分量fX和fY分别为：
fX＝Scutsinθ (14)
fY＝Scutcosθ (15)
式中，θ为切削角度。
假设不考虑纤维与刀具前刀面之间的摩擦，结合前面计算所得的切削区纤维根数，由切断力引起的力分量 和 分别为：
相似地，考虑后刀面摩擦的压剪区合力，由压剪力引起的力分量 和 分别为：
设复合材料切削所需的主切削力总和为Fc，推力总和为Ft，有：
综上所述，复合材料切削所需的主切削力总和Fc以及推力总和Ft按公式(20)、(21)计算。
一种碳纤维复合材料切削模型的建立方法
技术领域
背景技术
发明内容
段的刚度系数矩阵中的元素；w1,w2,w3和 分别代表第一段顶端、第二段刀刃接触点和第三段第三段纤维与基体界面开裂终点处的挠度和转角；
具体实施方式
纤维弹性模量 Ef 295Gpa
纤维剪切模量 Gf 103Gpa
纤维直径 df 6.5μm
纤维体积分数 vf 0.65
法向界面结合刚度系数 kb 115Gpa/m
切向界面结合刚度系数 kb1 35Gpa/m
界面结合强度 σb 50Mpa
纤维压缩强度 XLf 4Gpa
基体法向系数 km 839Mpa/m
基体切向系数 km1 0
等效杨氏模量 E 212Gpa
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