一種碳纖維復(fù)合材料鉆削損傷的表征方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于損傷評(píng)價(jià)領(lǐng)域，涉及一種碳纖維復(fù)合材料鉆削損傷的綜合表征方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 碳纖維復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕等諸多優(yōu)點(diǎn)，可以大幅改善有效載荷和燃 油消耗，已經(jīng)廣泛用于航空航天、汽車、船舶等領(lǐng)域。然而，由于碳纖維復(fù)合材料各部件之間 無(wú)法通過(guò)焊接的方法進(jìn)行連接，使用螺栓進(jìn)行機(jī)械連接成為碳纖維復(fù)合材料裝配過(guò)程的唯 一選擇。為了滿足連接裝配的尺寸精度要求，對(duì)碳纖維復(fù)合材料部件進(jìn)行切削加工是碳纖 維復(fù)合材料制造過(guò)程中必不可少的環(huán)節(jié)之一。而鉆削加工是碳纖維復(fù)合材料最主要的切削 加工形式，約占總切削加工量的一半以上。但是，由于碳纖維復(fù)合材料是由質(zhì)軟、粘性大的 樹(shù)脂和強(qiáng)度大、硬度高的碳纖維混合而成的多相材料，其力學(xué)性能呈現(xiàn)各向異性，層間結(jié)合 強(qiáng)度低，易在鉆削出口形成毛刺、撕裂、分層等加工損傷，不僅降低部件的裝配精度以及承 載強(qiáng)度，而且會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料構(gòu)件的長(zhǎng)期服役性能下降。為了控制和減小鉆削損傷，提高復(fù) 合材料構(gòu)件的可靠性，對(duì)加工損傷程度進(jìn)行合理有效的評(píng)價(jià)是后續(xù)加工質(zhì)量評(píng)定的基礎(chǔ)。 因此，若能發(fā)明一種鉆削損傷的表征方法，對(duì)研究復(fù)合材料鉆削損傷的影響因素以及高質(zhì) 高效加工方法具有重要的指導(dǎo)意義。
[0003] 由于復(fù)合材料加工損傷與金屬加工損傷除了在形態(tài)和分布上的區(qū)別之外，還有 復(fù)合材料特有的損傷，如：撕裂、分層等，導(dǎo)致傳統(tǒng)的金屬零件制造過(guò)程中損傷表征方法 對(duì)于復(fù)合材料不再適用。針對(duì)這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展相關(guān)研究。1997年中國(guó)臺(tái)灣大華 工商學(xué)院 Chen 在〈〈International Journal of Machine Tools and Manufacture〉〉第 37 期 1097 到 1108 頁(yè)發(fā)表的〈〈Some experimental investigations in drilling of carbon fiber-reinforced plastic (CFRP) composite laminates》一文中提出比直徑法 分層因子來(lái)表征鉆削損傷；2009年德國(guó)多特蒙德工業(yè)大學(xué)Ali Faraz在《International Journal of Machine Tools and Manufacture》第 49 期 1185 到 1196 頁(yè)發(fā)表的《Cutting edge rounding:An innovative tool wear criterion in drilling CFRP composite laminates》一文中提出比面積法分層因子表征鉆削損傷，然而實(shí)際加工中各種損傷往往伴 隨產(chǎn)生。上述方法都僅從單一方面對(duì)鉆孔損傷進(jìn)行表征，沒(méi)有綜合考慮鉆孔產(chǎn)生的毛刺、撕 裂及分層損傷，以及毛刺產(chǎn)生區(qū)域的影響，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確表征加工損傷程度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，只能表征鉆削損傷的程度，無(wú)法準(zhǔn)確表征鉆削損傷 對(duì)承載性能的影響，發(fā)明一種碳纖維復(fù)合材料鉆削損傷的表征方法。該方法綜合考慮實(shí)際 加工中的分層、毛刺及撕裂對(duì)加工損傷的影響，分別計(jì)算分層、毛刺及撕裂對(duì)于加工質(zhì)量的 影響因子，并通過(guò)建立這三種損傷程度與力學(xué)性能之間的回歸模型確定各自權(quán)重系數(shù)，最 終建立綜合損傷表征模型。該表征方法使計(jì)算得到的損傷綜合評(píng)價(jià)因子更具有說(shuō)服力，結(jié) 果準(zhǔn)確，具有很好的工程應(yīng)用前景。
[0005] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種碳纖維復(fù)合材料損傷的表征方法，其特征是，表征 方法考慮復(fù)合材料加工過(guò)程中產(chǎn)生的分層、毛刺、撕裂損傷現(xiàn)象，采用這三種損傷對(duì)工件性 能影響的權(quán)重系數(shù)，推導(dǎo)出損傷表征因子公式，通過(guò)建立分層、毛刺、撕裂這三種損傷因子 與工件力學(xué)性能參數(shù)之間的回歸模型，確定三種損傷的權(quán)重系數(shù)后，得到加工損傷的綜合 表征因子，將三種損傷對(duì)加工質(zhì)量影響全部考慮在內(nèi)；表征方法的具體步驟如下：
[0006] 步驟1 :計(jì)算分層損傷對(duì)于加工質(zhì)量的影響因子
[0007] 復(fù)合材料的分層損傷通常出現(xiàn)在出口表層材料之間，通過(guò)聲學(xué)顯微鏡對(duì)鉆削后樣 件的孔周邊進(jìn)行局部掃描，得到從入口到出口的分層損傷信息在投影平面上的疊加；讀取 分層損傷的面積并計(jì)算孔的面積，得到分層損傷對(duì)加工質(zhì)量的影響因子：
[0008]
(1)
[0009] 式中，匕為分層損傷對(duì)加工質(zhì)量的影響因子，S 為分層損傷在投影平面內(nèi)疊加 的面積，Shcile為孔的面積；
[0010] 步驟2 :計(jì)算毛刺損傷對(duì)加工質(zhì)量的影響因子
[0011] 復(fù)合材料毛刺損傷是指加工后材料表層未被切斷的纖維，由于復(fù)合材料具有方向 性，鉆削過(guò)程中毛刺經(jīng)常出現(xiàn)在兩個(gè)對(duì)稱的范圍內(nèi)；分別以毛刺產(chǎn)生區(qū)域的長(zhǎng)度a為邊，以 平行于表層纖維方向的最大毛刺長(zhǎng)度b為邊，建立三角形，用兩個(gè)三角形的面積對(duì)毛刺進(jìn) 行評(píng)價(jià)，得到毛刺損傷對(duì)加工質(zhì)量的影響因子為：
[0012]
(2)
[0013] 式中，F(xiàn)#毛刺損傷對(duì)加工質(zhì)量的影響因子，S t" i為三角形1的面積，S &1 2為三 角形2的面積，Shc^為孔的面積；
[0014] 步驟3 :計(jì)算撕裂損傷對(duì)加工質(zhì)量的影響因子
[0015] 復(fù)合材料撕裂通常發(fā)生在材料的表層，鉆孔時(shí)在孔的出口側(cè)產(chǎn)生一些具有寬度和 厚度的撕裂損傷，由于撕裂寬度和厚度均對(duì)加工質(zhì)量產(chǎn)生影響，因此，采用等效體積進(jìn)行評(píng) 價(jià)，得到撕裂損傷對(duì)加工質(zhì)量的影響因子為：
[0016]
[0017]
[0018] 式中，F(xiàn)3為撕裂損傷對(duì)加工質(zhì)量的影響因子，Sdls i為第i個(gè)撕裂區(qū)域的面積，H_n i 為第i個(gè)撕裂區(qū)域的平均厚度，d為加工孔的直徑，t為工件的厚度；
[0019] 步驟4 :加工損傷的綜合表征因子
[0020] 通過(guò)建立分層、毛刺、撕裂這三種損傷因子與工件力學(xué)性能參數(shù)之間的回歸模型， 確定三種損傷的權(quán)重系數(shù)，得到加工損傷的綜合表征因子：
[0021] F= a F1+ β F2+ γ F3 (5)
[0022] 式中，F(xiàn)為加工損傷綜合表征因子，F(xiàn)1為分層損傷對(duì)加工質(zhì)量的影響因子，F(xiàn) 2為毛 刺損傷對(duì)加工質(zhì)量的影響因子，匕為撕裂損傷對(duì)加工質(zhì)量的影響因子，α、β、γ分別代表 分層、毛刺、撕裂的權(quán)重系數(shù)。
[0023] 本發(fā)明的有益效果是：由于復(fù)合材料加工過(guò)程中存在分層、毛刺、撕裂損傷，使用 本發(fā)明推導(dǎo)的損傷表征因子公式能夠?qū)⑷N損傷對(duì)加工質(zhì)量的影響全部考慮在內(nèi)，并且考 慮三種損傷對(duì)工件承載性能影響的權(quán)重系數(shù)，使計(jì)算得到的損傷綜合評(píng)價(jià)因子更具有說(shuō)服 力。不僅計(jì)算簡(jiǎn)單，結(jié)果準(zhǔn)確，而且具有很好的工程應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0024] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例分層損傷示