基于多尺度分析方法的编织陶瓷基复合材料磨削机理研究

With the rapid development of aerospace technology, braided ceramic matrix composites increasingly shows great potential applications. However, the basic theory on the machining of such composites is little studied. In this project, grinding mechanism and surface quality evaluation technology of 2.5 dimensional braided quartz fiber reinforced quartz composites will be investigated through the method of scientific experiment, combined with theoretical model and the numerical simulation. The main research contents include: Based on the multi-scale mechanic model of the braided composite materials , with the help of acoustic emission (AE) technique and scanning electron microscopy (SEM), the single abrasive grinding model may be established, so as to reveal the grinding mechanism of 2.5D braided quartz composites. Second, the evolution mechanism of the grinding surface damage may be studied using finite element method (FEM) on the basis of microscopic damage mechanics and fracture mechanics. Third, the grinding surface quality evaluation method of braided ceramic matrix composites will be researched and the multi-scale surface quality evaluation criteria can be established. In addition, the relationship between the main processing parameters (braided structure, grinding parameters) and the characteristic quantities of the grinding process (grinding force, grinding heat, tool wear) is discussed, as well as the influence on the surface damages. Thus, the global mapping of the microstructure, processing parameters, tool wear, surface quality can be obtained. Though above researches, theoretical foundation and scientific basis for the high precision, high efficiency and high quality machining of braided ceramic matrix composites may be provided, which can greatly promote its widely application.

随着航空航天技术的快速发展，编织陶瓷基复合材料愈来愈显示出巨大的应用潜力，而关于此类复合材料的加工基础理论却研究甚少。本项目以2.5维编织石英纤维增强石英复合材料为对象，通过科学实验、理论模型与数值仿真相结合，研究该类复合材料的磨削机理。主要研究内容包括：基于该复合材料真实结构特征建立多尺度力学模型，并借助于声发射技术及扫描电镜观察，建立其单磨粒磨削模型；基于细观损伤力学、断裂力学和有限元法，研究磨削表面损伤演化机制；研究编织陶瓷基复合材料的磨削表面质量评定方法，建立表面质量多尺度评价准则；研究主要工艺参数（编织结构、加工参数）与磨削过程特征量（磨削力、磨削热、刀具磨损）的相互关系以及对表面损伤的影响，建立细观结构、加工参数、刀具磨损、表面质量的全局映射关系。通过上述研究，揭示编织复合材料磨削机理，为编织陶瓷基复合材料的高精度、高效率、高质量加工及广泛应用提供理论基础。

编织陶瓷基复合材料因其整体性好、耐高温、抗损伤性高、可设计性强等优异特性，在航空航天等领域具有广阔的应用前景。但由于陶瓷基复合材料硬度高、导热性差以及非均质、各向异性，属于典型的难加工材料。目前编织陶瓷基复合材料的二次加工主要是磨削，但由于其细观结构的复杂性，其磨削机理尚不明确。本项目在此背景下，以2.5D石英增强二氧化硅复合材料为研究对象，基于多尺度分析方法及声发射技术，对编织陶瓷基复合材料的磨削机理进行了研究。.首先，搭建了基于声发射系统的磨削实验平台，对磨削过程的磨削力和声发射信号进行了采集和分析。结果表明，磨削参数与磨削力和声发射信号强度存在一定的映射关系，且二者的变化趋势一致。.其次，基于电镜观察及声发射频谱分析，对复合材料的磨削损伤及去除机理进行了研究。研究表明，复合材料的去除机制包括基体的脆性断裂、纤维的断裂及拔出、界面脱粘等多种形式。复合材料的表面损伤与声发射信号的频段有一定的对应关系，而且与其细观结构密切相关，平行纤维方向磨削损伤较小。.第三，研究了砂轮状态对磨削的影响。砂轮钝化后，磨削力明显增大，磨削表面恶化。以声发射信号能谱系数为输入，采用BP神经网络对砂轮磨损状态进行了识别，正确率达到93%。.第四，建立复合材料单胞模型，利用ABAQUS软件对单磨粒磨削过程进行了有限元仿真。仿真结果模拟了磨痕的形成，发现裂纹起始于基体并沿纤维束界面扩展，经纬纱纤维束交界处基体损伤严重，并进行了实验验证。.最后，基于三维形貌法，选定三维粗糙度均方值、表面倾斜度、表面支撑率来定量表征复合材料的磨削表面质量。结果表明，磨削参数对表面质量有一定的影响，影响次序为：磨削深度>砂轮转速>工件进给速度。复合材料的细观结构对磨削表面质量的影响更大，不同的磨削面适宜的磨削参数不同。在此基础上，建立了磨削表面质量综合评价体系。.上述研究成果，为编织陶瓷基复合材料的高效、高质磨削加工及广泛应用提供了可靠的理论基础和科学依据。