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摘要：本发明属于碳纤维复合材料钻削加工领域，具体公开了一种CFRP层合板钻削分层和层内损伤的综合预测方法，该方法针对CFRP切削时单层板的应变率会影响其失效破坏和损伤形成，导致CFRP层合板钻削分层和层内损伤难以准确预测的问题，考虑了CFRP单层板力学行为随应变率的变化，定义了虑及应变率影响的单层板失效准则和损伤演化准则，同时采用Cohesive单元模拟层间界面，基于ABAQUS有限元仿真计算软件，建立了CFRP层合板的钻削仿真模型，通过数值计算，实现了CFRP层合板钻削分层和层内损伤的综合预测。

主权项：1.一种CFRP层合板钻削分层和层内损伤的综合预测方法，其特征在于：包括以下步骤：1基于ABAQUS有限元仿真计算软件建立CFRP层合板的几何模型；2）导入所使用钻头的几何模型；3）赋予不同材料对应的本构模型和力学性能参数；4）创建钻头和CFRP工件钻削过程的装配体；5）设置动态显式分析步进行仿真分析；6）定义钻头与工件及相互之间的约束与接触方式；7）定义模型的边界条件；8）提交任务进行计算，综合预测CFRP层合板的钻削分层和层内损伤；赋予不同材料对应的本构模型和力学性能参数时：由于CFRP单层板具有各向异性和弹性的特征，因此，采用弹性本构关系表征单层板失效前的力学行为，且针对单层板沿纤维方向、面内垂直于纤维方向和厚度方向分别设置不同的力学性能；由于CFRP切削时单层板的应变率会影响其失效破坏和损伤形成，所以在定义单层板的失效准则和损伤演化准则前，需要首先考虑应变率对单层板力学性能的影响；单层板的强度和断裂韧性随应变率的变化曲线如式1和式2所示： 1 2式中，为实时应变率，为参考应变率； S代表强度YT，YC，S12，S13和S23；GC代表断裂韧性和；和分别为参考应变率下的强度和断裂韧性；在此基础上，通过结合Hashin准则和Puck准则定义单层板包含不同失效模式的失效准则，如式3-6所示：沿纤维方向拉伸失效σ1≥0： 3沿纤维方向压缩失效σ10： 4面内垂直于纤维方向拉伸失效σ2≥0： 5面内垂直于纤维方向压缩失效σ20： 6式中，F为失效变量，下标f和m分别代表沿纤维方向和垂直于纤维方向，上标T和C分别表示拉伸和压缩作用，当失效变量达到1时材料发生相应模式下的失效； σ i 和为材料主方向和剪切方向的应力，i,j=1，2，3，分别表示沿纤维方向、面内垂直于纤维方向及厚度方向，X和Y分别代表沿纤维方向和垂直于纤维方向的强度，Sij为单层板在i-j平面内的剪切强度； 为CFRP单向层合板发生垂直于纤维方向的压缩失效时，断裂面上垂直于纤维方向的剪切强度，根据式7进行计算： 7其中，θ为断裂面与CFRP厚度方向的夹角；σn、τs、τt是断裂面法向、断裂面内沿纤维方向、断裂面内垂直于纤维方向的应力分量，其与有效应力分量的关系如下： 8 μ t、μs为摩擦系数，基于摩尔-库仑理论，由断裂面的角度和材料强度参数可得出： 9CFRP失效后，材料刚度随着内部损伤的演化不断折减，通过定义线性损伤演化准则，描述单层板在发生任意一种模式失效后的损伤演化过程，即定义如式10和13所示的损伤变量d控制单层板材料的刚度折减； d根据材料的实时应变ε，损伤起始时的应变ε0和最终断裂时的应变εf确定，其在损伤起始时的值为0，最终断裂时的值为1，当单层板的某一个单元失效后，此单元的相关有效应力分量在每一时间增量步都乘以1-d，保证损伤单元的应力分量随着应变的增大逐渐降低为0；沿纤维方向的拉伸和压缩失效，及垂直于纤维方向的拉伸失效下的损伤变量分别为： 10式中，εi为材料主方向的应变；失效起始时的应变，和如式11所示，最终断裂时的应变，和利用式12计算： 11 12其中，Ei是沿i方向的弹性模量，，和分别为材料在沿纤维方向的拉伸和压缩，及垂直于纤维方向的拉伸载荷下的断裂韧性，Lc为单元特征长度；垂直于纤维方向压缩失效模式下的损伤变量基于断裂面上的应变计算： 13式中，，符号表示：对于任意实数x，；断裂面上的应变分量为： 14其中，γij为材料剪切方向的应变；失效起始时的应变是通过在计算过程中，提取失效变量达到1时应变的值获得的；最终断裂时的应变为： 15式中，为断裂韧性；失效起始时的应力的计算方法与的计算方法类似： 16CFRP层合板的层间界面基于0厚度内聚力单元进行模拟，载荷作用下，此类单元的上下表面分开并发生相对移动，当移动的距离超过特定值时单元断裂，实现单元两侧材料间裂纹起始和扩展的表征；采用内聚力单元时，需定义其在法向、第一切向和第二切向三个方向的应力-应变关系，其中，利用式17表征层间界面产生损伤前的本构关系： 17式中，t为牵引应力，为应变，K代表弹性模量；下标n，s和t分别表示法向、第一切向和第二切向；对于0厚度的内聚力单元，其各方向的应变计算为： 18其中，u是内聚力单元上、下表面在各方向的分离位移，为内聚力单元的本构厚度，不同于值为0的几何厚度，其值取为1，以保证应变与分离位移的值相等；在载荷作用下，层间界面的应力逐渐积累，采用二次名义应力准则判断其失效起始： 19式中，为层间界面的失效变量，t0表示失效时各方向的应力；层间界面失效后，其刚度在式20定义的损伤变量的控制下折减，各方向的应力分量按照式21进行计算： 20 21其中，代表等效分离位移；，和分别为内聚力单元失效时的等效分离位移，断裂时的等效分离位移以及钻削过程中等效分离位移的最大值；代表各方向的等效牵引应力，不包含失效引起的应力折减；层间界面的最终开裂根据幂指数准则进行判断： 22式中，，和为材料常数；Gn，Gs和Gt分别为材料三个方向上的断裂韧性；，和分别为三个方向上的临界断裂韧性；上述CFRP单层板的力学行为通过定义用户子程序导入有限元软件进行计算，切削过程中的单元删除也利用子程序中定义的状态参量控制；单层板和层间界面的具体材料参数由定义的截面属性赋予，同时，按照铺层方向为单层板定义材料方向。

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百度查询： 中国石油大学(华东) 一种CFRP层合板钻削分层和层内损伤的综合预测方法