不同铺层方向单向碳纤维增强复合材料钻孔的有限元分析

摘要整理

在工业4.0时代背景下，制造工艺面临柔性大规模生产技术的新挑战，对智能机器网络物理系统的开发提出了高保真仿真数据需求。复合材料加工工艺的实验成本高昂，仿真模拟可有效降低制造时间和成本。不合理的钻孔工艺参数会导致孔周边区域产生严重损伤。本研究通过在ABAQUS/EXPLICIT中开发用户自定义材料模型（VUMAT）子程序，针对不同纤维铺层方向的碳纤维增强复合材料（CFRP）层板，系统研究了钻孔切削参数（推力）、钻孔诱发损伤和应力分布规律。基于Hashin和Puck失效准则，建立了纤维拉伸失效、纤维压缩失效、基体开裂和基体压溃等失效模式模型。详细描述了钻孔操作的各个阶段，精确定义了复合材料损伤特征。研究结果表明：推力与进给速率呈正相关关系，计算模型与实验结果的偏差为8%。在进给速率500 mm/min条件下，[±45°/0°/90°]和[±45°/90°/0°]铺层方向的推力最大，分别为401.84 N·mm和390.53 N·mm，层间分离程度较高，孔出口区域纤维拔出频率增加；而0°和90°单一铺层方向的纤维拔出现象受到明显抑制。

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