一种基于多尺度分析的纤维增强复合材料超声辅助磨削加工仿真模型建立方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多尺度分析的纤维增强复合材料超声辅助磨削加工仿真模型建立方法，包括以下步骤：首先建立复合材料微观尺度代表体积单元，通过有限元分析获取复合材料微观尺度代表体积单元的力学特性，包括复合材料模量及失效强度等，并将其赋予为纤维束的材料属性，然后确定纤维束的损伤失效准则，建立纤维增强复合材料介观尺度仿真模型。再根据所需砂轮规格建立对应砂轮模型，最终建立介观尺度纤维增强复合材料超声辅助磨削加工仿真模型。本发明专利技术基于多尺度模型分析，克服了复合材料结构复杂导致建模困难的问题，在多尺度上对加工过程进行观测，为揭示复合材料超声辅助磨削材料去除机理提供理论指导。削材料去除机理提供理论指导。削材料去除机理提供理论指导。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多尺度分析的纤维增强复合材料超声辅助磨削加工仿真模型建立方法


[0001]本专利技术属于复合材料仿真加工领域，具体涉及一种基于多尺度分析的纤维增强复合材料超声辅助磨削加工仿真模型建立方法。

技术介绍

[0002]新能源、新材料的应用随着工业的发展已逐渐成为热点话题，现代工业对先进复合材料的需要日益增加，以树脂基纤维增强复合材料、陶瓷基纤维增强复合材料等为例的复合材料在国防领域的机械结构中所占比重越来越大，在此背景下，针对纤维增强复合材料的刚度、强度及损伤机理的研究一直是复合材料研究的热点和难点问题。诸多学者从仿真、实验方面进行复合材料性能的分析，但纤维增强复合材料的切削、磨削加工机理的探究尚不成熟，仍需进行更深一步的探索。
[0003]超声辅助磨削加工是在传统数控机床上集成超声振动系统，在传统磨削加工中引入高频超声振动，改变了磨粒与工件之间的作用机制，能够降低磨削力、提高加工质量、减少砂轮磨损，已被证实适用于硬脆材料的加工。但是超声辅助磨削加工试验过程难以观测，不能输出反映材料内部应力变化的直观参量。
[0004]建立纤维增强复合材料超声辅助磨削加工仿真模型，使用有限元仿真模拟磨削加工过程可以有效解决上述问题，对研究纤维增强复合材料的损伤行为，揭示纤维增强复合材料的去除机理具有重要意义。当今学者多采用宏观模型研究纤维增强复合材料的损伤行为，宏观模型具有捕捉宏观或结构层面损伤的能力，但它们在预测编织纱线内部以及纱线之间发生的微观损伤方面通常存在不足，包括纤维损伤、纤维基体脱粘和基体开裂等，而可以较好观测微观损伤的微观与介观模型则存在着建模困难，模型精度差等问题。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的不足，本专利技术提出了一种基于多尺度分析的纤维增强复合材料超声辅助磨削加工仿真模型建立方法。
[0006]一种基于多尺度分析的纤维增强复合材料超声辅助磨削加工仿真模型建立方法，包括以下步骤：
[0007]步骤一：建立纤维增强复合材料微观尺度代表体积单元。
[0008]步骤二：对纤维增强复合材料微观尺度代表体积单元进行有限元分析，获取纤维增强复合材料微观尺度代表体积单元的力学特性，并将其赋予为纤维束的材料属性。
[0009]步骤三：建立纤维增强复合材料介观尺度仿真模型，包括编织结构形式及参数，纤维体积分数；确定纤维束的基体损伤产生及失效准则。
[0010]步骤四：根据所需砂轮规格，使用砂轮快速参数化建模插件生成磨粒随机分布的砂轮模型。
[0011]步骤五：基于上述纤维增强复合材料介观尺度仿真模型及砂轮模型，建立介观尺
度纤维增强复合材料超声辅助磨削加工仿真模型。
[0012]在步骤一所述的建立纤维增强复合材料微观尺度代表体积单元，包括确定代表体积单元单胞类型，模型形状参数，基体材料的损伤产生及演化准则，纤维材料的损伤产生及演化准则，界面的失效准则，边界条件等。
[0013]在步骤一所述的纤维增强复合材料微观尺度代表体积单元，其单胞类型通常有正六面体单胞模型和正六棱柱单胞模型两种。正六棱柱模型相对与正六面体模型的优点在于它保持了随机分布情况下的横观各向同性的特征，而后者则在均匀分布假设中表现出明显的横向各向异性。
[0014]在步骤一所述的纤维增强复合材料微观尺度代表体积单元，在确定基体的失效准则时，由于基体材料通常被认为是均质各向同性材料，失效准则可选取最大主应力准则，最大应力准则，最大应变准则，Von
‑
Mises准则等。
[0015]在步骤一所述的纤维增强复合材料微观尺度代表体积单元，在确定纤维的失效准则时，不同性质的纤维适用的失效准则也不同，石英纤维等各向同性纤维适用最大主应力准则、最大应力准则、最大应变准则、Von
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Mises准则等，碳纤维等横向各向同性纤维适用霍夫曼准则、蔡
‑
吴准则，最大应力准则等。
[0016]在步骤一所述的纤维增强复合材料微观尺度代表体积单元，其基体材料与纤维材料的渐进损伤需分析材料在不同破坏模式(拉伸破坏、压缩破坏、剪切破坏等)下的损伤产生及演化准则，从而修正已破坏材料的刚度矩阵。
[0017]在步骤二所述的有限元分析，是指对纤维增强复合材料微观尺度代表体积单元施加边界条件直至其失效，通过得到的应力
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应变曲线计算材料的力学性能，包括不同方向的拉伸强度、剪切强度、压缩强度等。
[0018]在步骤三所述的纤维束失效准则，首先根据材料的编织方式确定材料在介观尺度下的结构，从而确定其失效准则，如hashin准则，puck准则等。然后将纤维束视为等效均质物体，赋予步骤二所得的失效强度参数等力学特性。
[0019]在步骤四所述的砂轮建模，包括创建多个不同形状不同粒径磨粒、创建砂轮基体以及使磨粒随机分布的过程。
[0020]在步骤五所述的介观尺度纤维增强复合材料超声辅助磨削加工仿真模型，砂轮与工件接触部分单元之间的接触类型为面面接触，工件与砂轮间的摩擦可以使用罚函数等方式处理。
[0021]本专利技术提供的一种基于多尺度分析的纤维增强复合材料超声辅助磨削加工仿真模型建立方法具有以下的优点：
[0022]首先作为一种磨削加工仿真模型，它可以解决纤维增强复合材料价格昂贵，磨削过程难以观测等问题。而当今常用的宏观模型虽然具有捕捉宏观或结构层面损伤的能力，但它们在预测编织纱线内部以及纱线之间发生的微观损伤方面通常存在不足，包括纤维损伤、纤维基体脱粘和基体开裂等。本专利技术提供的多尺度建模思路通过合理的均匀化方法实现了不同尺度之间的信息传输，这种类型的方法可以在多个尺度上有效地预测应力、应变、刚度、损伤和各种状态变量，克服了纤维增强复合材料结构复杂导致建模困难的问题，为揭示纤维增强复合材料超声辅助磨削材料去除机理提供理论指导。
附图说明
[0023]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0024]图1为本专利技术提供的基于多尺度分析的纤维增强复合材料超声辅助磨削加工仿真模型建立方法流程图。
[0025]图2为本专利技术提供的基于多尺度的纤维增强复合材料超声辅助磨削加工仿真模型示意图。
具体实施方式
[0026]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0027]如图1所示，本专利技术实施例公开了一种基于多尺度分析的纤维增强复合材料超声辅助磨削加工仿真模型建立方法，该实验方法流程本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多尺度分析的纤维增强复合材料超声辅助磨削加工仿真模型建立方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：建立纤维增强复合材料微观尺度代表体积单元；步骤二：对纤维增强复合材料微观尺度代表体积单元进行有限元分析，获取纤维增强复合材料微观尺度代表体积单元的力学特性，并将其赋予为纤维束的材料属性；步骤三：建立纤维增强复合材料介观尺度仿真模型，包括编织结构形式及参数，纤维体积分数；确定纤维束的基体损伤产生及失效准则；步骤四：根据所需砂轮规格，使用砂轮快速参数化建模插件生成磨粒随机分布的砂轮模型；步骤五：基于上述纤维增强复合材料介观尺度仿真模型及砂轮模型，建立介观尺度纤维增强复合材料超声辅助磨削加工仿真模型。2.根据权利要求1所述的基于多尺度分析的纤维增强复合材料超声辅助磨削加工仿真模型，其特征在于：在步骤一所述的建立纤维增强复合材料微观尺度代表体积单元，包括确定代表体积单元单胞类型，模型形状参数，基体材料的损伤产生及演化准则，纤维材料的损伤产生及演化准则，界面的失效准则，边界条件。3.根据权利要求1所述的基于多尺度分析的纤维增强复合材料超声辅助磨削加工仿真模型，其特征在于：在步骤一所述的纤维增强复合材料微观尺度代表体积单元，其单胞类型包括正六面体单胞模型和正六棱柱单胞模型。4.根据权利要求1所述的基于多尺度分析的纤维增强复合材料超声辅助磨削加工仿真模型，其特征在于：在步骤一所述的纤维增强复合材料微观尺度代表体积单元，在确定基体的失效准则时，由于基体材料通常被认为是均质各向同性材料，失效准则选取包括：最大主应力准则，最大应力准则，最大应变准则，Von
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Mises准则。5.根据权利要求1所述的基于多尺度分析的纤维增强复合材料超声辅助磨削加工仿真模型，其特征在于：在步骤一所述的纤维增强复合材料微观尺度代表体积单元，在确定纤维的失效准则时，不同性质的纤...

【专利技术属性】
技术研发人员：康仁科，鲍岩，袁国庆，董志刚，冉乙川，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：