摘要
为探究碳纤维复合材料（CFRP）微观切削机理，通过有限元法，采用零厚度内聚力单元模拟界面相，碳纤维建模呈圆柱状并随机分布于基体中，以此来真实反应CFRP的微观结构。通过对各组成相设置不同的材料本构、材料失效和演化准则，对4种典型角度（0°、45°、90°、135°）进行直角切削仿真，探究不同纤维角度下单向碳纤维增强树脂基复合材料（UD-CFRP)在切削过程中的微观切削机理。结果表明：不同纤维角度下CFRP的微观破坏形式不同，切削0° CFRP时破坏主要以界面开裂和纤维折断为主，切削45°和90° CFRP时主要是刀具的侵入破坏，切削135° CFRP时则发生纤维的断裂和沿纤维方向的裂纹，纤维断裂点在刀刃下方。最后，通过实验验证了微观模型的准确性。
碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）由于其优越的力学性能以及设计的灵活性，在航空航天工业等领域应用广泛，多种研究方法包括实验、经验和数值分析等已被应用于复合材料的研究
目前国内外对于复合材料的微观研究仍需要借助有限元分析技术，对CFRP复合材料所构建的微观模型并不完善，模型中各组成相的微观形貌多为矩形形状，纤维与基体依次排列，这与实际中纤维呈圆柱状且被基体包裹的形貌仍有差距。为使模型更贴近真实CFRP微观形貌，本文采用零厚度内聚力单元来模拟界面相，建立圆柱状纤维且随机分布于基体当中，利用Abaqus/Explicit有限元分析软件对模型进行仿真分析，通过对4种典型纤维角度（0°、45°、90°、135°）下的微观模型进行切削仿真，探究微观尺度下不同纤维角度UD-CFRP的切削机理。
内聚力单元被应用于模拟纤维与基体连接的微观力学中，但在界面相中引入厚度并不能恰当地表示复合材料的真实界面形
经典Hashi
| 材料 | 属性 | 数值 |
|---|---|---|
| 碳纤维 | 弹性常数 |
E1=235 GPa，E2=E3=14 GPa ν12=ν13=0.2，ν23 =0.25 G12=G13=28 GPa，G23=5.5 GPa |
| 纵向强度 | Xt=3.59 GPa，Xc=3 GPa | |
| 环氧树脂 | 弹性常数 | E=2.96 GPa，ν=0.4 |
| 屈服强度 | σy=74.7 MPa | |
| 界面相 | 法向强度 | σmax=167.5 MPa |
| 剪切强度 | τmax=25 MPa | |
| 断裂能 |
|
选用Abaqus/Explicit分析模块进行模型构建，模型参数如
模型尺寸 /μm | 纤维角度 /(°) | 纤维直径 /μm | 纤维体积 分数/% | 刀具 | 切削速度 /mm· | 切削深度 /μm | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
刀尖圆弧 /μm | 前角 /(°) | 后角 /(°) | ||||||
| 60×60×15 | 0，45，90，135 | 6 | 60 | 2 | 25 | 10 | 600 | 30 |
图1 不同纤维角度模型
Fig.1 Different fiber orientation models
（a） 0° （b） 45° （c） 90° （d） 135°
0°纤维角度CFRP切削仿真结果如
图2 0°纤维角度CFRP切削仿真结果
Fig.2 Simulation results of CFRP cutting failure of 0° fiber orientation
在单独观察基体切削时发现，部分基体单元在刀具没有完全接触时就已经被破坏删除，如
图 3 基体切削仿真结果
Fig.3 Simulation results of matrix cutting
45°纤维角度CFRP切削仿真结果如
图4 45°纤维角度CFRP切削仿真结果
Fig.4 Simulation results of CFRP cutting failure of 45° fiber orientation
90°纤维角度CFRP切削仿真结果如
图5 90°纤维角度CFRP切削仿真结果
Fig.5 Simulation results of CFRP cutting failure of 90° fiber orientation
随着接触点纤维的断裂与刀具的进给，位于纤维与刀具接触点两端的II处和III处发生弯折并相继断裂，如
135°纤维角度CFRP切削仿真结果如
图6 135°纤维角度CFRP切削仿真结果
Fig.6 Simulation results of CFRP cutting failure of 135° fiber orientation
以CFRP单向板为实验对象，实验平台包括长征四轴三联动立式加工中心KVC800/1，Kistler-9253B三向压电式测力仪。实验采用与仿真相同的加工参数，其中刀具转速为2 000 n/min、进给速率30 mm/min、切深0.1 mm，以此对不同纤维角度CFRP单向板进行切削实验并采集切削力。由于实验与仿真模型尺度相差较大，因此实验与仿真结果均取单位厚度上的切削力进行比较，对比结果如
图7 实验与仿真结果对比
Fig.7 Comparison of experiment and simulation results
由
通过零厚度内聚力单元来模拟界面相，并采用圆柱状纤维随机分布等方法对真实CFRP复合材料进行建模，通过四种典型纤维角度进行切削仿真，探究了不同纤维角度下UD-CFRP复合材料的微观切削机理，最终通过实验得到验证，得出以下结论：
（1）不同纤维角度下CFRP的微观破坏形式不同，切削0° CFRP时破坏主要以界面开裂和纤维折断为主，切削45°和90° CFRP时主要是刀具的侵入破坏，大量的纤维束在此过程中被折断，切削135°CFRP时则发生纤维的断裂和沿纤维方向的裂纹，纤维断裂点在刀刃下方;
（2）结合UD-CFRP的微观仿真及实验可知，在复合材料切削过程中切削力随着纤维角度的增加先增大后减小，当纤维角度为90°时达到最大;
（3）在复合材料切削过程中，由于基体相对于纤维来说过于脆弱，当部分基体过早的被破坏后，未达到破坏强度的纤维束在刀具的作用下会对周围基体形成强烈挤压，致使纤维束周围的另一部分基体被破坏，即基体的破坏分为两部分，一部分是由于刀具切削的作用，另一部分则是由于各个纤维束间的变形挤压。
参考文献
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